Maszyny elektryczne

Spis treści

      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, twórca systemu elektrycznego trójfazowego prądu przemiennego, 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 energię 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.
      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.

      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 energię mechaniczną na elektryczną;
      - silniki- przetwarzające energię elektryczną na mechaniczną;
      - przetwornice- przetwarzają energię elektryczną na taką samą energię lecz o innych parametrach,
        np. przetwornice: prądu, napięcia, częstotliwości.

▲ do góry

      2. Podstawowe parametry maszyn elektrycznych

      Każdą maszynę elektryczną charakteryzują znamionowe wartości wielkości elektrycznych i mechanicznych, do których należą: moc, napięcie, prąd, prędkość obrotowa i inne. 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 60034-1:2011 Maszyny elektryczne wirujące -- Część 1: Dane znamionowe i parametry.

      Do znamionowych wielkości elektrycznych charakteryzujących każdą maszynę elektryczną należą:
      1) Napięcie znamionowe UN, w V, jest to:
          - wartość skuteczna napięcia przemiennego międzyfazowego dla maszyn trójfazowych
          - wartość napięcia stałego, dla maszyn prądu stałego).
          Napięcia 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.
          Napięcia znamionowe prądnic są wyższe o około 5%;
      2) Prąd znamionowy IN, w A, jest to wartość skuteczna prądu przemiennego lub wartość prądu stałego
          pobieranego z sieci elektroenergetycznej przy obciążeniu maszyny mocą znamionową w stanie nagrzanym
          (w przypadku prądnic i kompensatorów jego wartość wynika z wartości mocy i napięcia znamionowego);
          i napięcia znamionowego). Jest to wartość skuteczna prądu przemiennego lub wartość prądu stałego;
      3) Moc znamionową silnika PN jest mocą mechaniczną oddawaną przez silnik.

PN= Pin ηN

           Podstawowy wzór na moc znamionową ma postać:
           - dla trójfazowych silników prądu przemiennego:

PN= √3 UN IN cosφN ηN

           - dla jednofazowych silników prądu przemiennego:

PN= UN IN cosφN ηN

            - dla silników prądu stałego:

PN= UN IN ηN

           przy czym:
           PN - moc znamionowa silnika, w W;
           Pin - moc pobierana przez silnik, w W;
           UN - napięcie znamionowe, w V;
           IN - prąd znamionowy, w A;
           nN - znamionowa prędkość obrotowa, obr/min;
           ηN - znamionowa sprawność;
           cosφN - znamionowy współczynnik mocy.

           Moc znamionowa silnika jest to moc, którą maszyna może dostarczyć bez przekroczenia dopuszczalnej
           temperatury nagrzania. Jeżeli została podana moc znamionowa PN przy określonej prędkości obrotowej nN,
           to jest ona obowiązująca również przy określonym rodzaju pracy: ciągłej, dorywczej lub nieokreślonej.
      4) Moc znamionowa i prędkość obrotowa silników elektrycznych małej mocy:
         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, w 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.
      5) Moment znamionowy silnika MN, w Nm (niutonometry). Jeżeli PN jest w kW, a nN w obr/min, to:

▲ do góry

      3. Rodzaje pracy maszyn elektrycznych

      Zgodnie z PN-EN 60034-1:2009 Maszyny elektryczne wirujące -- Część 1: Dane znamionowe i parametry, znamionowy rodzaj pracy maszyny jest określany w postaci symbolu składającego się z litery S i cyfr od 1 do 10.
      Wyróżnia się następujące rodzaje pracy maszyn elektrycznych:
      S1- praca ciągła; praca ze stałym obciążeniem, trwającym do osiągnięcia stanu równowagi cieplnej. Przyrosty temperatury
            czynnych części maszyny nie większe niż 2oC w ciągu godziny);
      S2- praca dorywcza; praca ze stałym obciążeniem trwającym krócej niż czas potrzebny do osiągnięcia równowagi cieplnej
            oraz następującym później postojem trwającym tak długo, aż maszyna stanie się praktycznie zimna. Znormalizowany
            czas pracy wynosi: 10, 30, 60  i 90 minut;
      S3- praca okresowa przerywana; praca z następującymi po sobie identycznymi okresami pracy. Każdy z tych okresów
            obejmuje czas pracy ze stałym obciążeniem i czas postoju. Dla tego rodzaju pracy względny czas pracy wynosi:
            15, 25, 40 i 60 minut;
      S4- praca okresowa przerywana z rozruchem; praca z następującymi po sobie identycznymi okresami pracy, z których
            każdy obejmuje znaczący (ze względów cieplnych) czas rozruchu, czas pracy z obciążeniem stałym i czas postoju;
      S5- praca okresowa przerywana z hamowaniem elektrycznym; praca z następującymi po sobie identycznymi
            okresami pracy, z których każdy obejmuje czas rozruchu, czas pracy z obciążeniem stałym, czas hamowania
            elektrycznego i czas postoju,
      S6- praca okresowa długotrwała z przerywanym obciążeniem; praca z następującymi po sobie identycznymi okresami
            pracy, z których każdy obejmuje czas pracy z obciążeniem stałym i czas pracy przy biegu jałowym. W tym przebiegu
            nie występuje czas postoju;
      S7- praca okresowa długotrwała z hamowaniem elektrycznym; praca z następującymi po sobie identycznymi okresami
            pracy, z których każdy obejmuje czas rozruchu, czas pracy z obciążeniem stałym i czas hamowania elektrycznego.
            W tym przebiegu nie występuje czas postoju,
      S8- praca okresowa długotrwała ze zmianami prędkości obrotowej; praca z następującymi po sobie identycznymi
            okresami pracy, z których każdy obejmuje czas z obciążeniem stałym odpowiadającym określonej uprzednio prędkości
            obrotowej i jednego lub kilku czasów pracy z innymi obciążeniami odpowiadającym innym prędkościom obrotowym.
            Jest to praca z następującymi po sobie identycznymi okresami pracy, z których każdy obejmuje czas rozruchu, czas
            pracy z obciążeniem stałym;
      S9- praca z nieokresowymi zmianami obciążenia i prędkości obrotowej; praca, przy której obciążenie i prędkość
            obrotowa zmieniają się na ogół nieokresowo w dopuszczalnym zakresie pracy. Ten przebieg pracy obejmuje często
            przeciążenia, które mogą znacznie przekraczać obciążenie odniesienia;
     S10- praca z określonymi obciążeniami stałymi; praca obejmująca nie więcej niż cztery określone wartości obciążenia
            (lub obciążenia równoważnego), z których przy każdej wartości obciążenia trwającego dostatecznie długo maszyna
            może osiągnąć równowagę cieplną. Minimalne obciążenie w pewnym okresie pracy może mieć wartość równą zero.

▲ do góry

      4. Stopnie ochrony zapewniane przez obudowy 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.

      Wymagania stawiane obudowom maszyn elektrycznych są określone w następujących normach:
      - PN-EN 60529:2003 Stopnie ochrony zapewnianej przez obudowy (Kod IP);
      - PN-EN 60529:2003/A2:2014-07 Stopnie ochrony zapewnianej przez obudowy (Kod IP);
      - PN-EN 60034-5:2004 Maszyny elektryczne wirujące--Część 5: Stopnie ochrony zapewniane
        przez rozwiązania konstrukcyjne maszyn elektrycznych wirujących (kod IP)- Klasyfikacja oraz
      - PN-EN 60034-5:2004/A1:2009, Maszyny elektryczne wirujące--Część 5:Stopnie ochrony
        zapewniane przez rozwiązania konstrukcyjne maszyn elektrycznych wirujących (kod IP) - Klasyfikacja.

      Stopnie ochrony zapewniane przez obudowy maszyn elektrycznych 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).

      Stopnie ochrony zapewniane przez obudowy maszyn elektrycznych przedstawia tablica 1:

Tablica 1. Stopnie ochrony zapewniane przez obudowy maszyn 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,
      - tolerancję zmian warunków zasilania,
      - wymagany moment rozruchowy i przeciążalność momentem,
      - rodzaj konstrukcji silnika (sposób mocowania i układ pracy).

      Bardzo istotnym kryterium przy doborze silników elektrycznych jest kryterium nieprzekroczenia 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.

      Każdy rodzaj obudowy maszyny charakteryzuje określony stopień ochrony.
      Stosowane rodzaje obudowy maszyn elektrycznych (oznaczone literami w nawiasach) i odpowiadające im stopnie ochrony są następujące:
      - obudowa otwarta            (A)  - IP00, IP10,
      - obudowa chroniona        (B)  - IP12, IP22,
      - obudowa okapturzona    (C)  - IP23, IP33,
      - obudowa zamknięta       (Z)  - IP55, IP56, IP44,
      - obudowa wodoszczelna (W) - IP57, IP58,
      - obudowa głębinowa        (G) - IP67, IP68.

      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. Do napędu pomp głębinowych stosuje sie specjalne konstrukcje silników przystosowanych do pracy przy trwałym zanurzeniu w wodzie.
      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.

      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, zmieniona na PN-EN 60034-1:2009 Maszyny elektryczne wirujące -- Część 1: Dane znamionowe i parametry.

      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, wodę i olej. Intensywność chłodzenia poprawia się np. przez zastosowanie kanałów wentylacyjnych lub przez zwiększenie powierzchni, przez którą będzie oddawane ciepło wytworzone w maszynie (przez żebrowanie obudowy, stosowanie radiatorów, itp.).

      Ze względu na obieg czynnika chłodzącego rozróżnia się chłodzenie:
      - naturalne - czynnik chłodzący jest wprowadzany przez wirujące części wirnika,
      - wymuszone własne - czynnik chłodzący jest wprowadzany przez wentylator(y)osadzone na wale maszyny,
      - wymuszone obce - czynnik chłodzący jest wprowadzany przez obcy wentylator lub pompę.

      Chłodzenie maszyny może być stosowane:
      - w obiegu otwartym - gdy czynnik chłodzący jest pobierany i po ochłodzeniu maszyny oddawany do
        otoczenia; występuje ciągła wymiana czynnika chłodzącego,
      - w obiegu zamkniętym - jeżeli czynnik chłodzący krąży pomiędzy maszyną a chłodnicą; w procesie
        chłodzenia bierze udział stale ta sama ilość czynnika chłodzącego.

      Sposób chłodzenia oznaczony symbolem IC (ang. international cooling) określa norma PN-EN 60034-6:1999P Maszyny elektryczne wirujące -- Sposoby chłodzenia (kod IC).
      Do oznaczania sposobów chłodzenia stosuje się symbole składające się z liter IC i następującej po nich litery oznaczającej czynnik chłodzący:
      A - powietrze,
      H - wodór,
      W - woda,
      U - olej, oraz
      dwóch cyfr, z których pierwsza oznacza układ obwodu wentylacyjnego, a druga - sposób wprowadzenia go w ruch.

▲ do góry

Menu serwisu