Maszyny elektryczne Drukuj Email
niedziela, 07 października 2012 06:49

9.1 Maszyny elektryczne

9.1.1. 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 energię mechaniczną na elektryczną,
      - silniki - przetwarzające energię elektrycznaą na mechaniczną,
      - przetwornice - przetwarzają energię elektryczną na taką 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.


      9.1.2 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 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 60034-1:2005.

      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:
      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.
              Napięcia znamionowe prądnic są wyższe o około 5%.


      9.1.3 Rodzaje pracy maszyn elektrycznych
      Wyróżnia się 10 rodzajów pracy maszyn elektrycznych, w tym:
      - Praca ciągła (symbol S1).
      - Praca dorywcza (symbol S2).
      - Praca okresowa przerywana (symbol S3).
      - Praca okresowa przerywana z rozruchem (symbol S4).
      - Praca okresowa przerywana z hamowaniem elektrycznym (symbol S5).
      - Praca okresowa długotrwała z przerywanym obciążeniem (symbol S6).
      - Praca okresowa długotrwała z hamowaniem elektrycznym (symbol S7)
      - Praca okresowa długotrwała ze zmianami prędkości obrotowej (symbol S8).

      Uwaga: oznaczenia rodzaju pracy maszyn starszej budowy:
      - praca ciągła - C,
      - praca dorywcza - D,
      - praca okresowa przerywana - P.


      9.1.4 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 oraz PN-EN 60034-5:2004/A1:2009 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,
      — tolerancję 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.


      9.1.5 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. NORMA WYCOFANA ZASTĄPIONA PRZEZ PN-EN 60034-1:2009 Maszyny elektryczne wirujące -- Część 1: Dane znamionowe i parametry (oryg.) 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.


      9.1.6 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 Maszyny elektryczne wirujące -- Sposoby chłodzenia (kod IC).

Poprawiony: środa, 13 marca 2013 05:25