MIERNIK ELEKTROMAGNETYCZNY
Zasada działania miernika elektromagnetycznego polega na oddziaływaniu pola magnetycznego cewki przewodzącej prąd, na ruchome rdzeń ferromagnetyczny umieszczony w tym polu. Wskazówka, połączona z rdzeniem, wskazuje wartość prądu przepływającego przez cewkę. Im większy prąd przepływa przez cewkę, tym silniej jest wciągany rdzeń, tym większy jest moment i większe odchylenie wskazówki. Miernik elektromagnetyczny służy zarówno do pomiaru prądu stałego, jak i wartości skutecznej prądu przemiennego. Mierniki elektromagnetyczne są budowane jako amperomierze i jako woltomierze. Mają nieskomplikowana budowę i charakteryzują się pewnością działania.
Miernik magnetoelektryczny to przyrząd pomiarowy służący do mierzenia natężenia prądu elektrycznego stałego, w których pomiar odbywa się dzięki wzajemnemu oddziaływaniu pola magnetycznego magnesu trwałego z polem magnetycznym wytworzonym przez mierzony prąd płynący w ruchomej cewce połączonej ze wskazówką.
Miernik elektrodynamiczny charakteryzuje się bardzo wysoką dokładnością. Ale niestety wadą jest zbyt delikatna budowa. Z tego powodu używane są przeważnie w laboratoriach.
W przypadku gdy miernik elektrodynamiczny pełni funkcję watomierza wtedy ruchomą cewkę przyrządu włącza się w obwód na takiej zasadzie jak amperomierz.
MIERNIK INDUKCYJNY
Zasada działania miernika indukcyjnego polega na oddziaływaniu zmiennych strumieni magnetycznych na prądy indukowane przez te strumienie w organie ruchomym miernika. Prądy te maja charakter prądów wirowych. Mierniki indukcyjne są obecnie używane wyłącznie jako liczniki energii elektrycznej w obwodach prądu przemiennego. W szczelinie rdzenia obraca się tarcza aluminiowa osadzona na osi pionowej. Dwa strumienie magnetyczne przemienne, wytworzone przez cewkę, przez która przepływa prąd elektryczny przemienny, indukują w tarczy prądy wirowe. Oddziaływanie elektrodynamiczne jednego z tych strumieni na prąd indukowany przez drugi strumień wywołuje moment napędowy.
prawo ohma dla prądu zmiennego
Prąd zmienny przechodzący przez cewkę powoduje strumień magnetyczny. Strumień ten zmienia swoją wartość i kierunek w taki sam sposób jak prąd. Zmiana strumienia powoduje powstawanie w cewce SEM (siły elektromotorycznej) zgodnie z zasadami indukcji. SEM ma kierunek przeciwny do napięcia biegunowego. To zjawisko nazywane jest samoindukcją.
Samoindukcja w urządzeniu zasilanym prądem zmiennym częściowo powoduje przesunięcie faz między natężeniem i napięciem, a częściowo indukcyjny spadek napięcia. Opór
elektryczny w przypadku prądu zmiennego staje się wyraźnie większy niż obliczony lub zmierzony w przypadku prądu stałego.
Prawo Ohma obowiązuje nie tylko dla prądu stałego tzn. takiego, że przez dany przekrój medium przenoszącego ładunki przepływa ich w określonej jednostce czasu i w tym samym kierunku jednakowa liczba. To, czy prąd jest stały czy też zmienny nie robi na prawie Ohma żadnego wrażenia.
Dla prądu przemiennego prawo to ma bardziej ogólną postać. Zarówno prądy jak i napięcia, a także współczynnik proporcjonalności między nimi mogą być reprezentowane przez liczby zespolone. Taka reprezentacja umożliwia uchwycenie zależności fazowych między prądem a napięciem.
Pierwsze prawo Kirchhoffa - prawo dotyczące przepływu prądu w rozgałęzieniach obwodu elektrycznego, Prawo to wynika z zasady zachowania ładunku czyli równania ciągłości. Wraz z drugim prawem Kirchhoffa umożliwia określenie wartości i kierunków prądów w obwodach elektrycznych.
Obwody elektryczne
Węzeł z prądami wpływającymi i wypływającymi
Dla węzła w obwodzie elektrycznym prawo to brzmi:
Dla węzła obwodu elektrycznego suma algebraiczna natężeń prądów wpływających(+) i wypływających(-) jest równa 0 (znak prądu wynika z przyjętej konwencji)
lub
Suma natężeń prądów wpływających do węzła jest równa sumie natężeń prądów wypływających z tego węzła.
Drugie prawo Kirchhoffa - zwane również prawem napięciowym, dotyczy bilansu napięć w zamkniętym obwodzie elektrycznym.
Suma wartości chwilowych sił elektromotorycznych występujących w obwodzie zamkniętym równa jest sumie wartości chwilowych napięć elektrycznych na elementach pasywnych tego obwodu
Jest to transformator jednofazowy obniżający napięcie do poziomu napięcia bezpiecznego , najczęściej o napięciu wtórnym 24V (230/24V). Jest on wykorzystywany do zasilania obwodów elektrycznych w miejscach o dużym zagrożeniu porażeniem prądem elektrycznym oraz miejsc co do których wymagają tego przepisy. Stosowany np. do zasilania oświetlenia w kanałach warsztatowych.
Transformator jednofazowy
Transformator jednofazowy przeznaczony jest do zasilania układów sterowania, maszyn i urządzeń elektrycznych. Zbudowany jest z uzwojeń pierwotnych i wtórnych oddzielonych warstwą materiału izolacyjnego nawiniętych na wspólnym karkasie, umieszczonych na rdzeniu składanym z blach elektromagnetycznych
Zasada działania transformatora
Jedno z uzwojeń (zwane pierwotnym) podłączone jest do źródła prądu przemiennego. Powoduje to przepływ w nim prądu przemiennego. Przemienny prąd wywołuje powstanie zmiennego pola magnetycznego. Zmienny strumień pola magnetycznego, przewodzony przez rdzeń transformatora, przepływa przez pozostałe cewki (zwane wtórnymi). Zmiana strumienia pola magnetycznego w cewkach wtórnych wywołuje zjawisko indukcji elektromagnetycznej - powstaje w nich zmienna siła elektromotoryczna (napięcie).
Silniki indukcyjne trójfazowe
Zasada działania
Trójfazowe uzwojenie stojana o liczbie par biegunów równej p, zasilane z sieci trójfazowej symetrycznej o częstotliwości f, wytwarza wirujące pole magnetyczne kołowe.
Pole to, wiruje względem stojana z prędkością kątową synchroniczną i przecina zwarte uzwojenie wirnika, indukując w nim prąd.
Wirujące pole „pociąga" za sobą uzwojenie wirnika, w którym płynie zaindukowany prąd.
Wirnik nie może uzyskać prędkości pola magnetycznego, gdyż wtedy nie przecinałoby ono uzwojenia wirnika, a tym samym w wirniku nie indukowałby się prąd.
Różnicę między prędkością wirowania pola stojana a prędkością wirnika, odniesioną do prędkości wirowania pola stojana nazywamy poślizgiem s.
Ze względu na to, że omawiany silnik działa na zasadzie indukcji magnetycznej, a jego wirnik obraca się z prędkością mniejszą od synchronicznej, pełna nazwa tego silnika brzmi: trójfazowy asynchroniczny silnik indukcyjny.
Rozruch silników indukcyjnych
Prąd rozruchowy podczas bezpośredniego włączenia silnika do sieci może dochodzić do 9In, a moment rozruchowy może być mniejszy od momentu znamionowego.
Właściwości rozruchowe silników można zmienić przez:
• zmianę wartości napięcia zasilania stojana — tylko przy rozruchu lekkim (za pomocą transformatora, autotransformatora bądź przełącznika gwiazda-trójkąt);
• włączenie rezystancji lub reaktancji w obwód stojana;
• włączenie rezystancji lub reaktancji w obwód wirnika;
• zmianę częstotliwości napięcia zasilającego uzwojenie stojana.
SILNIK PRĄDU STAŁEGO
silnik elektr. przystosowany do zasilania prądem stałym; maszyna przetwarzająca energię elektr. prądu stałego na energię mechaniczną na zasadzie indukcji elektromagnet., polegającej na wytwarzaniu siły elektromotorycznej w przewodnikach znajdujących się w zmiennym polu magnet. Pole magnet. wytwarzane jest w nieruchomej części s.p.s. zw. stojanem; wewnątrz stojana umieszczony jest wirnik (twornik), na powierzchni którego, równolegle do osi, umieszczone jest w specjalnych żłobkach uzwojenie z izolowanych przewodów miedzianych. Zarówno stojan jak i wirnik zasilane są z sieci prądem elektr.; przewody obracającego się wirnika przecinają linie sił pola magnet. biegunów stojana, w wyniku czego w tych przewodach indukuje się siła elektromotoryczna skierowana przeciwnie do przyłożonego doń napięcia (stąd zw. siłą przeciwelektromotoryczną). Ze względu na sposób wzbudzenia s.p.s. dzieli się na: s. szeregowe, o uzwojeniach cewek wzbudzających stojana połączonych szeregowo z uzwojeniem twornika - stosowane gł. w trakcji elektr. (napędy lokomotyw, tramwajów, trolejbusów) i pojazdach mechanicznych (wózki akumulatorowe, rozruszniki samochodów), w napędach dźwigów itp.; s. bocznikowe, o uzwojeniu cewek wzbudzających stojana przyłączonym do sieci równolegle do obwodu twornika - o najszerszym praktycznie zastosowaniu spośród s.p.s., gł. w napędach obrabiarek; s. szeregowo-bocznikowe, o wzbudzeniu mieszanym uzyskiwanym poprzez dwa różnie podłączone uzwojenia wzbudzające - stosowane zazwyczaj jako silniki dużych mocy do napędu walcarek, pras itp. oraz w napędach okrętowych mechanizmów pokładowych; s. obcowzbudne o oddzielnych źródłach zasilania obwodu wzbudzenia i obwodu twornika - stosowane gł. w napędach wymagających regulacji prędkości w szerokim zakresie obrotów; silnik szeregowy może, jako jedyny s.p.s., być zasilany również prądem przemiennym jednofazowym; silniki takie zw. są silnikami uniwersalnymi, a możliwość ich różnego zasilania wynika z faktu, że kierunek wirowania twornika nie zależy od biegunowości przyłożonego napięcia; stosowane w urządzeniach wymagających dużych prędkości obrotowych napędu, np. w odkurzaczach, wiertarkach ręcznych.
Silnik synchroniczny - silnik elektryczny prądu przemiennego, w którym prędkość wirowania wirnika jest równa prędkości wirowania pola magnetycznego wytworzonego przez nieruchome uzwojenia stojana.
Zasada działania
Moment elektromagnetyczny
Po zasileniu uzwojeń stojana, wytworzone zostanie w nim wirujące pole magnetyczne. Jeżeli wyobrazić sobie to pole jako wirującą parę biegunów, to nieobciążony namagnesowany wirnik ustawi się w osi pola stojana i zacznie wirować wraz z tym polem synchronicznie. Siły działające między tak przedstawionymi biegunami mają kierunki promieniowe, więc nie dają żadnego momentu obrotowego. Jeżeli wirnik obciążony zostanie momentem hamującym spóźni się nieznacznie względem wirującego pola. W ten sposób oś wirnika nie będzie się już pokrywać z osią stojana, a siły działające między biegunami wywołają moment mechaniczny, który przeciwstawi się momentowi hamującemu. Zmiany obciążenia nie powodują zmian prędkości obrotowej wirnika (jak to ma miejsce w silniku asynchronicznym), lecz opóźnienie wirnika względem wirującego pola, zmianę kąta opóźnienia. Maksymalna wartość kąta opóźnienia to 60°, powyżej tej wartości silnik wypada z synchronizmu.
Wirnik zarówno w stanie jałowym (bez obciążenia) jak i przy obciążeniu obraca się ze stałą prędkością, równą prędkości wirowania pola magnetycznego (z prędkością synchroniczną). Jeżeli jednak moment obciążenia będzie większy niż maksymalny moment elektromagnetyczny silnika, maszyna wypadnie z synchronizmu wirnik będzie okresowo hamowany i przyspieszany i po pewnym czasie zatrzyma się.
Rozruch
Jedna z wad silnika synchronicznego jest to, że nie potrafi on samoczynnie wystartować po zasileniu uzwojeń. Podanie napięcia na stojan powoduje powstanie pola wirującego, które wywołuje przemienny moment obrotowy działający na wirnik. Ze względu na zbyt dużą częstotliwość zmian tego momentu wobec bezwładności wirnika, nie jest on w stanie ruszyć z miejsca.
Wartość średnia momentu rozruchowego wirnika silnika synchronicznego jest równa zero.
Istnieje kilka możliwości radzenia sobie z tą niedogodnością. Jedną z nich jest zastosowanie dodatkowej maszyny, która rozpędza wirnik silnika synchronicznego do prędkości zbliżonej do synchronicznej. Rolę takiej maszyny pełni dodatkowy silnik asynchroniczny lub silnik prądu stałego, ale raczej tego rozwiązania nie stosuje się w praktyce. Innym sposobem uruchomienia silnika synchronicznego jest skorzystanie z rozwiązania stosowanego w silnikach asynchronicznych. W nabiegunnikach wirnika umieszcza się klatkę rozruchową najczęściej utworzoną z miedzianych prętów, podobną do klatki z w wirniku silnika asynchronicznego klatkowego. Silnik taki startuje tak jak silnik asynchroniczny, czyli zasilane są tylko uzwojenia stojana. Po osiągnięciu prędkości podsynchronicznej uzwojenia wirnika zasilane są prądem stałym, co pozwala wirnikowi wejść w synchronizm i dalej obracać się z prędkością synchroniczną. Kolejną metodą rozruchu jest zwarcie uzwojeń wirnika, bezpośrednio lub poprzez rezystancję ograniczającą prąd rozruchowy. Zwarte uzwojenia zachowuje się jak typowa klatka. Po uzyskaniu prędkości podsynchronicznej następuje załączenie uzwojeń wirnika. Silnik dochodzi do synchronizmu samoczynnie.
Obecnie najlepszym rozwiązaniem służącym do uruchamiania silników synchronicznych wydaje się zastosowanie specjalnych elektronicznych przemienników częstotliwości (falowników), które pozwalają na systematyczne zwiększanie częstotliwości napięcia zasilania uzwojeń stojana co pozwala na stopniowe rozpędzenie wirnika. W przypadku silników z magnesami trwałymi jest to w zasadzie jedyne rozwiązanie.