Sprzęt obrotowy jest tak powszechny, a jednocześnie tak niezrozumiały, że nawet bardzo doświadczeni elektrycy i inżynierowie są często nękani pytaniami dotyczącymi jego działania. W tym artykule odpowiemy na siedem najczęściej zadawanych pytań. Wyjaśnienia są krótkie i praktyczne ze względu na ograniczoną ilość miejsca, jednak pozwolą Państwu lepiej zrozumieć ten sprzęt.
Pytanie nr 1: Armatura, pole, wirnik, stojan: co jest czym?
Z definicji stojan obejmuje wszystkie nieobracające się części elektryczne generatora lub silnika. Również z definicji wirnik zawiera wszystkie obracające się części elektryczne.
Pole maszyny jest częścią, która wytwarza bezpośrednie pole magnetyczne. Prąd w polu nie zmienia się. Uzwojenie twornika to takie, które wytwarza lub ma przyłożone do niego napięcie zmienne.
Zwykle terminy „twornik” i „pole” stosuje się tylko do generatorów prądu zmiennego, silników synchronicznych, silników prądu stałego i generatorów prądu stałego.
Generatory prądu zmiennego. Pole prądnicy synchronicznej jest to uzwojenie, do którego przyłożony jest prąd wzbudzenia prądu stałego. Uzwojenie twornika jest uzwojeniem, do którego podłączone jest obciążenie. W małych generatorach uzwojenia pola znajdują się często na stojanie, a uzwojenia twornika na wirniku. Większość dużych maszyn ma jednak obracające się pole i nieruchomą twornicę.
Silnik synchroniczny jest praktycznie identyczny z prądnicą synchroniczną. Tak więc, twornik jest stojanem, a pole wirnikiem.
Maszyny prądu stałego. W maszynach prądu stałego, zarówno w silnikach jak i generatorach, twornik jest wirnikiem, a pole jest stojanem. Ponieważ twornik jest zawsze wirnikiem w maszynach prądu stałego, wielu elektryków i inżynierów błędnie uważa, że twornik jest wirnikiem we wszystkich silnikach i generatorach.
Pytanie nr 2: Zmniejszyłem napięcie sprężyny na moich szczotkach, a one nadal zużywają się zbyt szybko. Dlaczego?
Zużycie szczotek pochodzi z dwóch podstawowych przyczyn: tarcia mechanicznego i zużycia elektrycznego. Tarcie mechaniczne jest spowodowane przez tarcie szczotek o komutator lub pierścień ślizgowy. Zużycie elektryczne jest spowodowane przez łuk elektryczny i iskrzenie szczotki podczas jej ruchu po komutatorze. Tarcie mechaniczne wzrasta wraz z naciskiem szczotki; zużycie elektryczne maleje wraz z naciskiem szczotki.
Dla każdej instalacji szczotki istnieje optymalna wielkość nacisku szczotki. Jeśli nacisk zostanie zmniejszony poniżej tej wartości, całkowite zużycie wzrasta, ponieważ wzrasta zużycie elektryczne. Jeśli nacisk zostanie zwiększony powyżej optymalnej wartości, całkowite zużycie ponownie wzrasta, ponieważ zwiększa się tarcie mechaniczne.
Zawsze upewnij się, że nacisk szczotki jest ustawiony na poziomie zalecanym przez producenta. Jeśli zużycie jest nadal nadmierne, należy zbadać typ i rozmiar używanej szczotki. Należy pamiętać, że gęstość prądu (ampery na cal kwadratowy szczotki) musi być prawidłowa dla danego zastosowania. Właściwa gęstość prądu jest wymagana, aby upewnić się, że na komutatorze lub pierścieniu ślizgowym utworzy się smarujący, przewodzący film. Warstwa ta składa się z wilgoci, miedzi i węgla. Niewystarczająca gęstość prądu hamuje tworzenie się tej warstwy i może powodować nadmierne zużycie szczotek.
Także środowiska o bardzo niskiej wilgotności nie zapewniają wystarczającej ilości wilgoci do tworzenia się warstwy smarującej. Jeśli nadmierne zużycie szczotek stanowi problem w takim środowisku, może być konieczne nawilżenie obszaru, w którym pracuje maszyna.
Pytanie nr 3: Co to jest współczynnik serwisowy?
Współczynnik serwisowy to obciążenie, które może być zastosowane do silnika bez przekroczenia dopuszczalnych wartości znamionowych. Na przykład, jeśli silnik o mocy 10 KM ma współczynnik serwisowy 1,25, to z powodzeniem dostarczy 12,5 KM (10 x 1,25) bez przekroczenia określonego wzrostu temperatury. Należy pamiętać, że przy takim obciążeniu silnik musi być zasilany napięciem i częstotliwością znamionową.
Należy jednak pamiętać, że silnik o mocy 10 KM ze współczynnikiem serwisowym 1,25 nie jest silnikiem o mocy 12,5 KM. Jeśli silnik o mocy 10 KM będzie stale pracował z mocą 12,5 KM, jego trwałość izolacji może zmniejszyć się nawet o dwie trzecie normalnej trwałości. Jeśli potrzebujesz silnika o mocy 12,5 KM, kup go; współczynnik serwisowy powinien być używany tylko w warunkach krótkotrwałego przeciążenia.
Pytanie nr 4: Co to jest wirujące pole magnetyczne i dlaczego się obraca?
Rotujące pole magnetyczne to takie, którego bieguny północny i południowy poruszają się wewnątrz stojana, tak jakby magnes sztabkowy lub magnesy obracały się wewnątrz maszyny.
Spójrz na stojan silnika 3-fazowego pokazany na załączonym schemacie. Jest to stojan 2-biegunowy z trzema fazami rozmieszczonymi w odstępach co 120. Prąd z każdej fazy wchodzi do cewki po jednej stronie stojana i wychodzi przez cewkę po przeciwnej stronie. Tak więc, jeśli jedna z cewek tworzy magnetyczny biegun północny, druga cewka (dla tej samej fazy) utworzy magnetyczny biegun południowy po przeciwnej stronie stojana.
W pozycji 1, faza B tworzy silny biegun północny w lewym górnym rogu i silny biegun południowy w prawym dolnym rogu. Faza A tworzy słabszy biegun północny w lewym dolnym rogu i słabszy biegun południowy w dolnym rogu. Faza C tworzy ogólne pole magnetyczne, ze swoim północnym biegunem w lewym górnym rogu i południowym w prawym dolnym.
Na pozycji 2, faza A tworzy silny biegun północny w lewym dolnym rogu i silny biegun południowy w prawym górnym rogu; tak więc silne bieguny obróciły się o 60 przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. (Zauważ, że ta 60 magnetyczna rotacja dokładnie odpowiada 60 elektrycznej zmianie w prądach fazowych). Słabe bieguny również obróciły się o 60 przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. To w efekcie oznacza, że całkowite pole magnetyczne obróciło się o 60 od pozycji 1.
Przy bardziej szczegółowej analizie możemy pokazać, że natężenie pola magnetycznego obraca się płynnie od pozycji 1 do pozycji 2, ponieważ prądy w każdej z faz zmieniają się o 60 stopni elektrycznych. Analiza położeń 3, 4, 5 i 6 pokazuje, że pole magnetyczne nadal się obraca.
Prędkość, z jaką obraca się pole magnetyczne, jest nazywana prędkością synchroniczną i jest opisana następującym równaniem:
S = (f x P) / 120 gdzie S = prędkość obrotowa w obrotach na minutę f = częstotliwość dostarczanego napięcia (Hz) P = liczba biegunów magnetycznych w obracającym się polu magnetycznym
Gdyby magnes trwały został umieszczony w stojanie, z wałem, który pozwalałby mu się obracać, byłby pchany (lub ciągnięty) z prędkością synchroniczną. Dokładnie tak działa silnik synchroniczny, z tą różnicą, że pole magnetyczne wirnika (pola) jest tworzone przez elektromagnetyzm, a nie przez magnes stały.
Rotor silnika indukcyjnego składa się ze zwartych uzwojeń, a prąd jest indukowany w uzwojeniach wirnika, gdy wirujące pole magnetyczne przecina je. Prąd ten tworzy pole przeciwstawne do pola wirującego. W rezultacie, wirnik jest popychany (lub ciągnięty) przez pole wirujące. Należy zauważyć, że wirnik silnika indukcyjnego nie może obracać się z prędkością synchroniczną, ponieważ pole wirujące musi przeciąć uzwojenia wirnika, aby wytworzyć moment obrotowy. Różnica pomiędzy prędkością synchroniczną a rzeczywistą prędkością wirnika nazywana jest poślizgiem procentowym; jest ona wyrażana w procentach.
Silniki jednofazowe również posiadają wirujące pole magnetyczne. Pole wirujące wymagane do uruchomienia silnika jest wytwarzane przez drugie uzwojenie zwane uzwojeniem rozruchowym. Po osiągnięciu przez silnik prędkości obrotowej, uzwojenie rozruchowe jest odłączane, a pole wirujące powstaje w wyniku oddziaływania uzwojenia głównego stojana i wirnika.
Pytanie nr 5: Jak działa generator indukcyjny?
Generator indukcyjny jest identyczny w budowie jak silnik indukcyjny. Uzwojenia stojana są podłączone do 3-fazowego systemu zasilania, a te trzy fazy wytwarzają wirujące pole magnetyczne. Wirnik generatora indukcyjnego jest obracany przez główny silnik, który obraca się szybciej niż prędkość synchroniczna. Gdy uzwojenia wirnika przecinają pole wirujące, indukuje się w nich prąd. Ten indukowany prąd tworzy pole, które z kolei przecina uzwojenia stojana, wytwarzając moc wyjściową dla obciążenia.
Generator indukcyjny czerpie więc swoje pobudzenie z systemu energetycznego, do którego jest podłączony. Silnik indukcyjny musi mieć podłączone do stojana generatory synchroniczne, aby mógł rozpocząć wytwarzanie energii. Po uruchomieniu generatora indukcyjnego, do zasilania wzbudzenia można użyć kondensatorów.
Pytanie nr 6: Dlaczego łożyska generatora i silnika są izolowane?
Pole magnetyczne wewnątrz silnika lub generatora nie jest całkowicie jednorodne. W związku z tym, gdy wirnik się obraca, na wale powstaje napięcie wzdłużne (bezpośrednio wzdłuż wału). Napięcie to spowodowałoby przepływ mikroprądów przez warstwę smaru na łożyskach. Prądy te z kolei spowodowałyby niewielkie wyładowania łukowe, nagrzewanie i w końcu uszkodzenie łożyska. Im większa jest maszyna, tym gorszy staje się ten problem.
Aby uniknąć tego problemu, strona wirnika korpusu łożyska jest często izolowana od strony stojana. W większości przypadków izolowane jest przynajmniej jedno łożysko, zwykle to, które znajduje się najdalej od silnika w przypadku generatorów i najdalej od obciążenia w przypadku silników. Czasami izolowane są oba łożyska.
Pytanie nr 7: W jaki sposób generatory prądu zmiennego kontrolują zmienność, napięcie i moc?
Pomimo, że elementy sterujące generatora oddziałują na siebie, prawdziwe są następujące ogólniki.
* Moc wyjściowa generatora jest kontrolowana przez jego główny silnik.
* Napięcie i/lub wkład zmienny generatora są kontrolowane przez poziom prądu wzbudzenia.
Na przykład, załóżmy, że dodatkowe obciążenie jest podłączone do wyjścia generatora. Dodatkowy przepływ prądu zwiększy siłę pola magnetycznego armatury i spowoduje spowolnienie generatora. Aby utrzymać częstotliwość, regulator generatora zwiększy moc wejściową do pierwotnego silnika. W ten sposób, dodatkowa moc wymagana od generatora jest kontrolowana przez wejście głównego silnika.
W naszym przykładzie tutaj, strumień magnetyczny netto w szczelinie powietrznej zmniejszy się, ponieważ wzrost armatury przeciwstawia się strumieniowi pola. Jeśli strumień pola nie zostanie zwiększony, aby nadrobić tę zmianę, napięcie wyjściowe generatora zmniejszy się. Tak więc prąd wzbudzenia jest wykorzystywany do sterowania napięciem wyjściowym.
Spójrzmy na inny przykład jako dalsze wyjaśnienie. Załóżmy, że do naszego generatora zostanie dodane dodatkowe obciążenie zmienne. W tej sytuacji prąd wyjściowy generatora ponownie wzrośnie. Jednakże, ponieważ nowe obciążenie nie jest „prawdziwą” mocą, prime mover musi być zwiększony tylko na tyle, aby pokonać dodatkowy spadek IR stworzony przez dodatkowy prąd.
Jako ostatni przykład, załóżmy, że mamy dwa lub więcej generatorów pracujących równolegle i zasilających obciążenie. Generator 1 (G1) przenosi całe obciążenie (rzeczywiste i bierne), podczas gdy generator 2 (G2) pracuje z mocą zero watów i zero zmiennych. Jeśli operator G2 otworzy przepustnicę, G2 zacznie dostarczać moc do systemu. Ponieważ podłączone obciążenie nie zmieniło się, oba generatory będą przyspieszać, chyba że G1 zmniejszy moc.
Jako że G2 przejmuje dodatkową część obciążenia, wymaga zwiększonego strumienia pola. Jeśli operator G2 nie zwiększy pola G2, G2 będzie pobierał dodatkowe pobudzenie z G1, wymagając od G1 zwiększenia poziomu pobudzenia. Jeżeli ani G1 ani G2 nie zwiększą poziomu wzbudzenia, ogólne napięcie w systemie spadnie.
Cadick, P.E. jest prezesem Cadick Professional Services, Garland, Tex. i członkiem InterNational Electrical Testing Assoc. (NETA).