| Maszyny elektryczne |
 |
 |
 |
|
1. Wiadomości ogólne W 1831 r. M. Faraday oraz Joseph Henry, niezależnie od siebie odkryli, że przesuwanie magnesu w pobliżu spiralnego przewodu z prądem powoduje przepływ prądu w przewodzie. Ich prace dały początek zastosowaniu zjawisk indukcji elektromagnetycznej. Na tej podstawie skonstruowano generator elektryczny oraz silnik elektryczny (H. Lenz). Faraday wprowadził pojęcia pola elektrycznego i magnetycznego. Od 1888, Michał Doliwo – Dobrowolski, elektrotechnik rosyjski, pochodzenia polskiego, pracował nad zagadnieniami wirującego pola magnetycznego. Był konstruktorem pierwszej w świecie trójfazowej prądnicy prądu przemiennego, trójfazowego silnika indukcyjnego z wirnikiem klatkowym oraz trójfazowego transformatora. Ten czas pionierskich odkryć i pierwszych konstrukcji urządzeń, uznano za początek rozwoju budowy maszyn elektrycznych.Maszyna elektryczna jest urządzeniem elektromechanicznym, przetwarzającym za pośrednictwem pola magnetycznego energię elektryczną w energię mechaniczną lub odwrotnie, z udziałem ruchu. Przemiany energii elektrycznej na elektryczną o innych parametrach, bez udziału ruchu, zachodzą np. w transformatorach i przetwornicach elektrycznych. W transformatorach jak i w maszynach elektrycznych zachodzą zjawiska wspólne, związane z indukcją elektromagnetyczną. W zależności od rodzaju energii przetwarzanej, każda maszyna elektryczna może pracować jako prądnica lub silnik (bez zasadniczych zmian konstrukcyjnych). Z tego względu rozróżnia się: - prądnice - przetwarzające energie mechaniczną na elektryczną, - silniki - przetwarzające energię elektryczna na mechaniczną, - przetwornice - przetwarzają energię elektryczną na taka samą energię lecz o innych parametrach, np. przetwornice: częstotliwości, napięcia, prądu.
Najliczniejszą grupę maszyn elektrycznych stanowią silniki elektryczne, szeroko stosowane w przemyśle, komunikacji i transporcie, rolnictwie, a także w napędach urządzeń gospodarstwa domowego. Silniki elektryczne prądu przemiennego są obecnie największą grupą odbiorników energii elektrycznej w świecie.
Ze względu na rodzaj prądu i zasadę działania maszyny elektryczne dzieli się na: 1. maszyny prądu przemiennego: a) maszyny synchroniczne, b) maszyny indukcyjne (asynchroniczne); - jednofazowe, - trójfazowe, c) maszyny komutatorowe prądu przemiennego: - jednofazowe, - wielofazowe. 2. maszyny prądu stałego.
1.1 Wielkości znamionowe maszyn elektrycznych Każda maszyna elektryczna określona jest przez znamionowe wartości wielkości elektrycznych i mechanicznych, do których należą: moc, napięcie prąd, prędkość obrotowa i in. Ustalone przez wytwórcę dane znamionowe odnoszą do pracy maszyny w określonych warunkach klimatycznych, tj. w miejscu zainstalowania położonym na powierzchni ziemi na wysokości do 1000 m n.p.m., gdzie temperatura otoczenia nie przekracza 40oC. Jeżeli maszyna pracuje w temperaturze wyższej niż 40 oC, to obciążenie maszyny powinno być odpowiednio mniejsze niż moc znamionowa. W maszynach przeznaczonych do pracy na wysokości ponad 1000 m n.p.m., dopuszczalne przyrosty temperatury powinny być przyjmowane zgodnie z PN-EN 60034-1:2005. Do podstawowych wielkości elektrycznych maszyn należy zaliczyć: 1) moc znamionową silnika - określona w watach lub kilowatach, jest mocą mechaniczną na wale. Moc znamionową prądnicy prądu stałego określa się w watach lub kilowatach, natomiast prądnicy prądu przemiennego - woltoamperach (VA, kVA, MVA); jest to moc elektryczna na zaciskach maszyny. W przypadku silników synchronicznych często podaje się również pobieraną z sieci znamionową moc pozorną (VA lub kVA). Dla prądnic i silników synchronicznych określa się także znamionowy współczynnik mocy cosφ. Znamionowe moce i prędkości obrotowe silników elektrycznych małej mocy, wg. PN-E-02109:1975: a) moc znamionowa w W: 1; 1,6; 2,5; 4; 6; 10; 16; 25; 40; 60; 90; 120; 180; 250; 370; 550; 750; 1100; 1500; 2200; 3000, b) prędkość obrotowa, obr/min: - silniki prądu przemiennego i uniwersalne: 375; 500; 600; 750; 1000; 1500; 3000; 4000; 6000; 10 000; 12 000; 15 000; 18 000; 20 000; 24 000, - silniki prądu stałego: 400; 500; 600; 750; 1000; 2000; 3000; 4000; 5000; 6 000; 8 000; 10 000; 12 000; 15 000; 20 000; 22 000; 30 000; 40 000; 60 000, Dla silników indukcyjnych podano prędkość obrotową synchroniczną. 2) napięcie znamionowe maszyn i urządzeń elektrycznych (zalecane dla silników): a) maszyn i urządzeń prądu stałego: 6, 12, 24, 36, 48, 60, 72, 96, 110, 220, 440 V. b) maszyn i urządzeń prądu przemiennego: 6, 12, 24, 48, 110, 120, 230, 400, 690, 1000, 3000, 6000 V. Napięcia znamionowe prądnic są wyższe o około 5%. 1.2 Rodzaje pracy maszyn elektrycznych PN-EN 60034-1-2005 określa 10 rodzajów pracy maszyn elektrycznych, w tym:
Uwaga: oznaczenia rodzaju pracy maszyn starszej budowy: - praca ciągła - C, - praca dorywcza - D, - praca okresowa przerywana - P. 1.3 Stopnie ochrony maszyn elektrycznych Obudowa maszyny elektrycznej chroni obsługę przed dotknięciem zarówno części będących pod napięciem, jak i części ruchomych znajdujących się we wnętrzu maszyny lub osłony. Chroni również maszynę przed przedostaniem się do jej wnętrza obcych ciał stałych i wody.
Stopnie ochrony obudów oznacza się symbolem IP (ang. international protection) oraz dwoma cyframi, które określają cechy obudowy odpowiadające stopniom ochrony: - przed dotknięciem części pod napięciem lub części ruchomych oraz przed dostaniem się ciał stałych (pierwsza cyfra oznaczenia); - przed przedostaniem sie wody do wnętrza maszyny (druga cyfra). Zgodnie z normą PN-EN 60034-5:2004 rozróżnia się następujące stopnie ochrony: Tablica 1 Stopnie ochrony zapewniane przez obudowy urządzeń elektrycznych
1) Kod IP oznaczony czerwonym drukiem – osłony do pomieszczeń wilgotnych 2) Kod IP napisany kursywą – osłony do pomieszczeń mokrych W celu zapewnienia odpowiedniej niezawodności i trwałości pracy silników w całym okresie eksploatacji, należy silnik dobrać do przewidywanych warunków pracy. Należy przy tym uwzględnić zarówno warunki środowiskowe jak i warunki jakie wymusza praca układu napędowego. Przy doborze silnika elektrycznego należy ponadto wziąć pod uwagę: — warunki pracy maszyny roboczej w stanach statycznych i dynamicznych, — cykl pracy silnika napędowego, — tolerancje zmian warunków zasilania, — wymagany moment rozruchowy i przeciążalność momentem, — rodzaj konstrukcji silnika (sposób mocowania i układ pracy). Najczęściej stosowane stopnie ochrony maszyn elektrycznych wirujących: IP12, IP21, IP22, IP23, IP44, IP54, IP55. Stopień ochrony tabliczki zaciskowej często jest wyższy niż stopień ochrony całej maszyny. Z podwyższonym stopniem ochrony są standardowo wykonywane silniki o przeznaczeniu specjalnym, np. silniki wysokiego napięcia dla energetyki. Odrębną grupę maszyn stanowią silniki budowy okapturzonej o stopniu ochrony: — wnętrza IP23, — skrzynki zaciskowej IP55, przeznaczone do pracy w pomieszczeniach zamkniętych o stosunkowo niewielkim zapyleniu:< 2mg/m3.
Maszyny przeznaczone do pracy w środowisku zagrożonym wybuchem mają specjalne konstrukcje obudów. Rozróżnia się trzy zasadnicze rodzaje konstrukcji: - z osłoną ognioszczelną - oznaczenie Exd, - o budowie wzmocnionej - Exe, - z osłoną gazową z nadciśnieniem - Exp.
Do napędu pomp głębinowych stosuje sie specjalne konstrukcje silników przystosowanych do pracy przy trwałym zanurzeniu w wodzie.
1.4 Nagrzewanie się maszyn elektrycznych Praca maszyny elektrycznej związana jest zwykle z nagrzewaniem się jej poszczególnych części i odpowiednim sposobem chłodzenia. Ogólnie przyjęto, że normalne warunki chłodzenia maszyny elektrycznej zainstalowanej na wysokości do 1000 m n.p.m. występują, gdy czynnik chłodzący nie przekracza temperatury 40 oC, a w przypadku chłodzenia wodą z zastosowaniem chłodnic - temperatura wody na wlocie nie przekracza 25 oC. Graniczne wartości przyrostów temperatury poszczególnych części maszyn elektrycznych chłodzonych powietrzem określa norma PN-EN 60034-1:2005. Bardzo istotnym kryterium przy doborze silników jest kryterium nie przekroczenia dopuszczalnego przyrostu temperatury uzwojeń silnika dla zastosowanej klasy izolacji. W silnikach elektrycznych stosowane są materiały izolacyjne klasy A, E, B, F i H. Do wyznaczania temperatury lub jej przyrostu drogą pomiarów stosowane są metody: rezystancyjna (oporowa), wbudowanych czujników temperatury, termometrowa oraz superpozycji.
1.5 Chłodzenie maszyn elektrycznych Chłodzenie maszyn elektrycznych stosuje się w celu ograniczenia nagrzewania się maszyny w czasie pracy, ponad dopuszczalny przyrosty temperatury. Jako czynnik chłodzący wykorzystuje się najczęściej: powietrze, wodór, freon, azot, dwutlenek węgla, wodę i olej.
Chłodzenie maszyny może być stosowane: - w obiegu otwartym - gdy czynnik chłodzący jest pobierany i po ochłodzeniu maszyny oddawany do otoczenia, - w obiegu zamkniętym - jeżeli czynnik chłodzący krąży pomiędzy maszyną a chłodnicą.
Sposób chłodzenia oznaczony symbolem IC (ang. international cooling) określa norma PN-EN 60034-6:1999. |
