Opracowanie - Maszyny Elektryczne.doc

(7135 KB) Pobierz

Maszyny elektryczne - Egzamin

Egzamin z Maszyn Elektrycznych - Opracowanie

1. Usytuowanie maszyn elektrycznych w procesach przemiany energii.

Energia przetwarzana jest z postaci mechanicznej w energie elektryczna .Służą do tego celu przetworniki zwane generatorami elektrycznymi. Do przesłania tej energii na duże odległości i rozdzielenia jej służą transformatory. Około 60% energii elektrycznej jest ponownie przetworzona w energie mechaniczna za pomocą silników. Wszystkie przetworniki energii wspólnie nazywamy maszynami elektrycznymi. Największe nich to generatory o mocach 500-1200 MW silniki zaś maja moce od 20-30 MW. Większość silników i generatorów wykonuje ruch dookoła własnej osi nieruchomej inne zaś ruch postępowy. Do wytworzenia sil mechanicznych i elektromotorycznych wykorzystuje się pole magnetyczne.

Maszyny prądu stałego( silniki i prądnice)

Maszyny prądu przemiennego(asynchroniczne i synchroniczne)

Silniki pierścieniowe i klatkowe

Prądnice tachometryczne i generatory.

Mech>elektr (prądnice i generatory)

Elektr>mech(silniki)

Elektr>elektryczna ze zmiana napięcia i częstotliwości (przetwornice elektromaszynowe)

Maszyny specjalne(wzmacniacze, maszyny pomiarowe, prądnice tachometryczne)

2.Zjawiska fizyczne wykorzystywane w podstawowych przetwornikach elektromechanicznych

-prawo przepływu

-zjawisko indukcji elektromagnetycznej (SEM)

-zjawisko oddziaływania pola magnetycznego na przewód z prądem

Prawo indukcji Faradaya

Siła Lorenza

Sila Ampera

Siła elektrodynamiczna

3.Rola stopów żelaza w maszynach elektrycznych

Stopy żelaza stosowane są przede wszystkim do budowy obwodów magnetycznych. Celem tych obwodów jest stworzenie wymaganej drogi w przestrzenie dla strumienia magnetycznego o małym natężeniu pola H. Dla ograniczenia prądów wirowych, a więc strat energii przy polach zmiennych używa się blach o grubościach 0,3-0,7 mm. Noszą one nazwę blach elektrotechnicznych.

4.Objętościowa gęstość energii magnetycznej w różnych środowiskach fizycznych.

W przestrzeni, w której występuje pole magnetyczne zawarta jest energia o gęstości

W polu elektromagnetycznym energia przemieszcza się . Całkowitą energię oblicza się całkując po danej powierzchni. Energia może być przetworzona na inna teoretycznie bez strat. Większość energii zgromadzone jest w szczelinie powietrznej.

5.Wyrażenie na energię sumaryczną poszczególnych elementów skupionych.

Energia ma zawsze jakiś rozklad w przestrzeni i gęstość przestrzenanną.W polu magnetycznym i elektrycznym zawsze mozna ograniczyc obszar poza którym energia jest pomijalna. Energia związana z natężeniem pradu lub pradów które wzbudzily pole magnetyczne.

Zwojnica

Straty:

- mocy w jednym obwodzie

- tarcia

Moc źródła:

- elektrycznego

- mechanicznego w ruchu obrotowym (postępowym)

6. Koenergia w elementach skupionych i jej związek z energią.

Zależność między strumieniem a prądem przy obecności w pobliżu uzwojenia z prądem ferromagnetyka jest w ogóle nieliniowa.

Rzeczywista relacja jest jeszcze bardziej skomplikowana, gdyż ma niejednoznaczność w postaci histerezy. Ma to jednak drugorzędne znaczenie.

W warunkach technicznych znacznie łatwiej mierzy się i reguluje prąd I niż strumień Ψ, dlatego prąd chętniej wybiera się za niezależną. W konsekwencji używa się alternatywnej dla energii wielkości W` zwanej koenergią.

Dla jednego zwoju: W`=∫ Ψ(x,i)di

Z zależności Ψ(i) wynika, że W+W`= Ψi. Wraz ze zmianą x zmienia się też charakterystyka, a więc i wartość W oraz W`. Przy obliczaniu cząstkowej pochodnej względem x inne zmienne się nie zmieniają. Dla energii Ψ, a dla koenergii i.

W przetwornikach elektromechanicznych stosuje się zwykle więcej niż jedno uzwojenie. Sa one wzajemnie powiązane polem magnetycznym, mamy więc do czynienia z układem np. 3. Energia i koenergia zależą od wartości całego wszystkich strumieni częściowych i prądów. Przyjmuje się liniowość strumienia, i energia całego układu jest sumą energii dostarczonej ze źródeł: ∑WL=∫i1(Ψ1`,0,0)dΨ1+∫i2(Ψ1, Ψ2`,0)dΨ2+∫i3(Ψ1, Ψ2, Ψ3`)dΨ3 (*wskaźnik ` oznacza zmienną bieżącą a bez niego ustaloną). Dla koenergii: ∫Ψ1(i1`,0,0)di1+∫Ψ2(i1, i2`,0)di2+∫Ψ3(i1, i2, i3`)di3. po uwzględnieniu linowej zależności strumienia od prądów: WL=WL`=1/2 (Ψ1i1+ Ψ2i2+Ψ3i3). Używany jest też zapis macierzowy: WL=1/2 |i|t|L||i|.

7. Podstawowe równania równowagi w układach elektromechanicznych.

Jeżeli do ilościowego opisu przetwornika wybierzemy jako zmienne niezależne elektrycznie prąd konkretnych obwodów, a jako zmienną mechaniczną kąt obrotu φ to równania równowagi: dla dowolnych układów elektromechanicznych o stałej strukturze napięć:

. Równań jest tyle ile jest obwodów niezależnych.

Równanie momentów: d/dt(Jω)=Tz+Te-DΩ, Moment elektromagnetyczny może być uzyskany formułą: Te=dW’L/dφ przy i=const

8.Rola obwodów elektrycznych, magnetycznych i izolacji w przetwornikach energii.

Celem obwodów elektrycznych jest stworzenie wymaganej, niskoprądowej drogi dla prądu elektrycznego. Celem obwodów magnetycznych jest stworzenie wymaganej drogi w przestrzeni dla strumienia magnetycznego o małym natężeniu pola H. Celem izolacji obwodów elektrycznych jest wyznaczenie pożądanych dróg przepływu prądu elektrycznego.

Aby ograniczyć drogę prądu używamy materiałów izolacyjnych. Są to materiały organiczne polimery oraz mineralne jak szklo i ceramika. Są gorszymi przewodnikami ciepla co utrudnia oddawanie strat przewodów. Uszkodzenie izolacji doprowadza do zwarcia Dla ograniczenia prądów wirowych stosuje sie blachy elektrotechniczne o grubości 0,3-0,7 mm. Maja powiększoną rezystywność i powierzchnie pokryte warstwa izolacji

9.Rola obudów, wałów i łożysk w maszynach elektrycznych

Łożyska maszyn o ruchu obrotowym to zwykle łożyska toczne. Bardzo duże maszyny i bardzo małe budowane są z łożyskami ślizgowymi. Zwykle łożyska umieszczone są w tarczach łożyskowych mocowanych do obudowy stojana. W ten sposób pozycjonowany jest wirnik względem stojana. Duże maszyny mają osobne kozły łożyskowe. Centralną częścią wirnika jest wał, wykonany za stali konstrukcyjnej. Musi on być odpowiednio sztywny, aby siła magnetyczna nie doprowadziła do kontaktu wirnika ze stojanem. Typowa odległość zwana szczeliną powietrzną wynosi ok 0,3 do 20mm. Kontakt z obwodami na wirniku realizowany jest poprzez pierścienie metalowe osadzone na wale. Po nich ślizgają się klocki metalowo-grafitowe zwane szczotkami.

10.Podstawowe składniki konstrukcji transformatora i ich wzajemne usytuowanie

Zasadniczymi częściami składowymi transformatora są rdzeń i uzwojenia. Rdzeń transformatora składa się ze słupków (kolumn), na których nawinięte są uzwojenia oraz części łączące te słupy, zwane jarzmami. Rdzeń i uzwojenia transformatorów olejowych są zanurzone w kadzi wypełnionej olejem, który ma dobre własności izolacyjne, a jednocześnie, ze względu na znacznie większą od powietrza przewodność cieplną, dobrze odprowadza ciepło z uzwojeń i rdzenia.

11.Obwodowy schemat zastępczy transformatora jednofazowego

12.Bieg jałowy i zwarcie-parametry decydujące o prądzie i mocy.

Bieg jalowy-brak obciążenia po stronie wtornej (zaciski rozwarte) wtedy parametrem jest reaktancja Xμ.

prąd strony wtórnej I2 = 0

prąd strony pierwotnej I0 = 2-5% I1N (prądu znamionowego strony pierwotnej), a więc jest mały, co pozwala zaniedbać napięcia na elementach R1 i X1, tj.

Zmienny strumień magnetyczny F wywołuje w rdzeniu straty mocy

Prąd IFe jest w fazie z U10, a prąd Im wytwarzający strumień F jest prądem indukcyjnym (Im i F są w fazie).

*Prąd stanu jałowego , przy czym składowa czynna jest znacznie mniejsza od składowej biernej.

Stan zwarcia- podczas zasilania jednego z uzwojeń, drugie jest zwarte. długotrwałe próby w stanie zwarcia są możliwe tylko przy odpowiednio niskim napięciu; charakterystyczną jego wartością jest tzw. napięcie zwarcia, tj. takie napięcie po stronie zasilania, aby popłynęły prądy znamionowe. Jest ono równe

lub

Wynosi ono zwykle 3-15%.

Próba zwarcia ma na celu wyznaczenie napięcia zwarcia i strat w miedzi uzwojeń transformatora; z pomiarów zwarcia (pomiarowego) można obliczyć RT, XT, ZT.

Gdyby napięcie zasilające było znamionowe, wówczas prądy w uzwojeniach osiągnęłyby wartość ok. 20-30 IN i transformator z powodu przegrzania izolacji uległby zniszczeniu

13.Zmiennosc napięcia przy obciążeniu transformatora. Wpływ charakteru odbiornika.

Napięcia dodają się z uwzględnieniem znaku kąta. Zmiennośc napiecia jest to odniesiony do obwodu pierwotnego spadek napiecia wtornego przy przejsciu stanu jałowego do stanu obciążenia znamionowego przy danym (jest to spadek napiecia przy obciążeniu znamionowym) jeżeli odbiornik ma charakter pojemnościowy kąt ma wartość dodatnią i ma wartość dodatnią, nap. jest mniejsze od nap. pierwotnego. Przy obciążeniu pojemnościowym kąt ma wartośc ujemną i ma wartość ujemną wtedy ma wartość większą od nap. pierwotnego . Przy obciążeniu pojemnościowym ze znaczną wartością kątamoże nastąpić wzrost napięcia na uzwojeniach transformatora (nap. wtórne przy obciążeniu może mieć wartośc wiekszą od nap. wtórnego w stanie jałowym.

14.Warunki współpracy równoległej transformatorów skutki ich nieidealnego doboru

Praca równoległa transformatorów:

jest dopuszczalna tylko wtedy, gdy spełnione są następujące warunki:

¨ równość napięć wtórnych w stanie jałowym

¨ równość napięć zwarcia

¨ transformatory są równomiernie obciążone

¨ w stanie bez obciążenia, w uzwojeniach strony wtórnej nie płyną prądy

¨ odpowiednie prądy obciążenia poszczególnych transformatorów są ze sobą w fazie

¨ dla transformatorów wielofazowych - jednakowe grupy połączeń

Do pracy równoległej nie można załączać dowolnych transformatorów. Powinno się je tak dobierać, by zapewniona była jak najkorzystniejsza współpraca pod względem ekonomicznym i możliwość pełnego wykorzystania ich mocy znamionowych.

Właściwy rozdział prądów zapewnia równość procentowych napiec zwarcia. Normy zezwalają na współpracę transformatorów, których przekładnie nie różnią się więcej niż ±0,5%.Pojawienie się prądów po stronie wtórnej nieobciążonych transformatorów, oznacza przepływ prądów wyrównawczych i powstanie zbędnych strat mocy w uzwojeniach. Przy obciążeniu takich transformatorów nie będzie można wykorzystać mocy znamionowych wszystkich współpracujących transformatorów. Istnieje możliwość pojawienia się prądów wyrównawczych.

15.Budowa i charakterystyczne cechy autotransformatora

- posiada jedno uzwojenie z odczepami

- sprawność większa od transformatorów ponieważ straty w uzwojeniu są mniejsze z powodu mniejszej ilości miedzi

- znacznie mniejsze wymiary od dwuuzwojeniowego

- mogą być stosowane do płynnego podnoszenia napięcia, przy rozruchu silników do sprzęgania układów sieciowych o niezbyt różnych napięciach.

16. Budowa transformatora 3-fazowego i sprowadzenie do 1-fazy.

Można zestawić 3 tranf a ich uzwojenia połączyć w układ 3-fazowy (b duże moce). Zwykle buduje się na wspólnym rdzeniu. Łatwiej budować układ płaski 3-5 kolumnowy. Uzwojenia każdej ze stron są łączone w gwiazdę lub trójkąt. Wszystkie uzwojenia są sprzężone magnetycznie. Równanie napięciowe: d/dtΨ =U-Ri. Zakładamy linowość: Ψ=∑Lkjikj , kj=1a,1b,1c,2a,2b,2c.

Dla przypadku symetrycznego układu napięć zasilających można transformator 3-fazowy sprowadzić do jednej fazy. Używając prądów i napięć fazowych możemy korzystać ze schematu jak dla 1 fazy. Należy pamiętać: Lμ jest 3/2 razu większa niż dla 1-fazy. Pomiar parametrów też należy ralizować prfzy 3-fazowym symetrycznym zasilaniu, za moc jednostki przyjmuje się max moc poszczególnych uzwojeń.

17. Możliwość wytwarzania pola magnetycznego ruchomego i cel.

Aby wytworzyć pole magnatyczne wirujące potrzebne jest uzwojenie wielofazowe

(najczęściej trójfazowe) odpowiednio rozmieszczone na obwodzie stojana maszyny. Każdej chwili suma strumieni poszczególnych faz uzwojenia daje wektor wypadkowy o stałej wartości wirujący wokół maszyny. Celem wytwarzania pola wirującego jest zmuszenie wirnika maszyny do ruchu.

18. Podstawowe schematy budowy maszyny synchronicznej 3-fazowej.

Maszyny synchroniczne buduje się jako 3-fazowe. Uzwojenie twornika jest w stojanie, a elektromagnesy w wirniku. Magnesy wytwarzają strumień magnetyczny przechodzący przez wirnik i stojan. Dzięki ukształtowaniu nabiegunników i ułożeniu uzwojenia magnesującego otrzymuje się sinusoidalny rozkład indukcji magnetycznej wzdłuż obwodu maszyny.

Jeżeli do uzwojenia twornika jest dołączona impedancja odbiornika to przez uzwojenie płynie prąd trójfazowy. Maszyna synchroniczna pracuje jako prądnica synchroniczna. Płynący przez uzwojenie 3-fazowy prąd wytwarza pole wirujące z prędkością n=60f/p, a więc taka sama prędkość z jaka wiruje strumień magnesów względem nieruchomych uzwojeń. Ze względu na budowę dzielą się na maszyny z biegunami:

-utajonymi: prędkość obrotowa n=3000, liczba par biegunów p=1, najczęściej są to generatory napędzane przez turbiny parowe. Wirnik wykonany jest w kształcie walca,

-wydatnymi: prędkość obrotowa n<1500, liczba par biegunów p>2, przy małej prędkości obrotowej dopuszczalne są duże średnice (bez obawy narażenia na rozerwanie), są to maszyny o dużych średnicach i małych długościach.

Konstrukcja stojanów musi zapewnić odpowiednią wytrzymałość i sztywność. Nie ma różnic budowy (od asynchronicznych) natomiast w turbogeneratorach wyraźne różnice w uzwojeniach; są zawsze 2-warstwowe, a cewki jednozwojne co jest wymuszone dużym strumieniem magnetycznym, pręty z jakich wykonane są cewki są dzielone na kilka składowych. Mają duży przekrój poprzeczny i są odizolowane od siebie i przeplatane.

19.Zastosowanie maszyn synchronicznych w przetwarzaniu energii.

Są to głównie generatory napędzane turbinami parowymi zwane turbogeneratorami. Napędzane turbinami wodnym hydrogeneratorami prędkości małe.

Budowane są tez silniki zwykle średniej lub dużej mocy o roznej prędkości. Prędkość maszyny synchronicznej jest stała ściśle związana z częstością napięcia zasilania. możliwość regulowania współczynnika mocy w silniku synchronicznym może służyć do kompensacji mocy biernej.

20. Sposób transformacji zmiennych dla jawnobiegunowej maszyny synchronicznej.

Osie magnetyczne wirnika z biegunami wydatnymi:

kierunek i zwrot osi d jest zgodny z kierunkiem i zwrotem strumienia magnetycznego wywołanego prądem wzbudzenia. Kierunek osi q obrócony jest o 90 stopni elektrycznych w kierunku przeciwnym do kierunku wirowania wirnika. Osie d i q są nieruchome względem wirnika wirują razem z min. Parametry maszyny po sprowadzeniu do osi d i q stają się stałe.

Moment: (transformacja Parka)