Zajmijmy się teraz analizą tego bardzo cennego ze shiploverskiego punktu widzenia cytatu.
Peter M. Rippon pisze: Silniki były zaprojektowane elektrycznie dla uzyskania kilku redukcji prędkości, podobnych w skutku do zmian biegów w pojeździe samochodowym.
Aby wyjaśnić Panom Dyskutantom sens tego zdania muszę zacząć omalże od podstaw napędu elektrycznego. W najbardziej "elementarnym" sposobie przekazu mocy mechanicznej za pomocą prądu przemiennego stosujemy układ połączonego generatora trójfazowego i silnika synchronicznego (który jest po prostu odwróceniem tegoż generatora). Generator posiada obrotowy wirnik (z magnesem stałym lub — częściej — elektromagnesem), który wiruje wewnątrz stojana, czyli "biernego" elektromagnesu wyposażonego w uzwojenie. Owa "bierność" polega na tym, że elektromagnes stojana nie jest zasilany — w jego uzwojeniu
generuje się energia elektryczna. Jej źródłem jest
wirujące pole magnetyczne będące konsekwencją ruchu obrotowego elektromagnesu wewnątrz stojana. Niezwykłą cechą tej energii jest to, że jeśli za pośrednictwem sieci przewodów zasilimy nią uzwojenie innego stojana, można wytworzyć w nim
duplikat wirującego pola magnetycznego z generatora. Jeżeli w takim polu umieścimy magnes (lub elektromagnes, zasilany z osobnego źródła prądu stałego) zacznie się on obracać z
identyczną prędkością obrotową jak wirnik generatora. Na tej zasadzie działają
wszystkie synchroniczne silniki elektryczne na całym świecie. Można powiedzieć bez najmniejszej przenośni, że sieć elektroenergetyczna jest niczym innym jak swoistym "wałem napędowym" który za pośrednictwem przewodów, przenoszących elektryczność, przekazuje moc mechaniczną z setek generatorów w elektrowniach do setek tysięcy silników elektrycznych w całym systemie zasilania.
W przypadku silnika asynchronicznego zasada pracy jest trochę inna. W chwili włączenia silnika do sieci, jego stojan odtwarza wirujące pole magnetyczne generatora, podobnie jak w silniku synchronicznym. Uzwojenie wirnika nie jest zasilane lecz zwarte, tworząc zamknięty obwód elektryczny. Po włączeniu silnika w nieruchomym uzwojeniu wirnika, przecinanego liniami sił pola wirującego stojana, powstaje SEM (siła elektromotoryczna) generująca prąd elektryczny w przewodach uzwojenia, który z kolei powoduje powstanie własnego pola magnetycznego wirnika. Pole to stara się nadążyć za polem obrotowym stojana, wprawiając wirnik w ruch (fachowo nazywa się to powstaniem momentu elektromagnetycznego). Ponieważ SEM jest uzależniona od prędkości, z jaką strumień pola magnetycznego przecina przewody uzwojenia wirnika, jest oczywistym że w miarę wzrostu prędkości wirnika, gdy zmniejsza się różnica między jego prędkością obrotową a prędkością pola wirującego, SEM maleje powodując spadek natężenia prądu tworzącego pole magnetyczne wirnika. Osłabienie siły tego pola powoduje spadek prędkości obrotowej wirnika i w konsekwencji wzrost różnicy prędkości między polem stojana a przewodami uzwojenia. To z kolei powoduje wzrost SEM, zwiększenie natężenia prądu, wzmocnienie pola magnetycznego wirnika i wzrost prędkości obrotowej… i tak na zmianę.
W praktyce w pewnym momencie ustala się równowaga różnicy prędkości pola wirującego stojana i prędkości obrotowej wirnika, przy której SEM wytwarza dokładnie taki prąd elektryczny, by powstałe pole magnetyczne wirnika zapewniało zachowanie stałego momentu obrotowego na wale napędowym, równoważącego dynamiczny moment obciążenia mechanizmów napędzanych przez silnik. Tą różnicę prędkości nazywamy
poślizgiem i jest ona ważnym wyróżnikiem silników asynchronicznych i będzie jeszcze przedmiotem dokładniejszej analizy.
Warto zauważyć że silnik asynchroniczny, w odróżnieniu od synchronicznego,
nie wymaga dodatkowego źródła prądu stałego dla elektromagnesu wirnika. Jest to podstawową zaletą tej odmiany silników, gdyż ich zasilanie staje się dzięki temu prostsze i w konsekwencji
gros stosowanych w praktyce silników stanowią właśnie jednostki asynchroniczne. Inna rzecz że na okręcie i tak trzeba montować pomocnicze generatory prądu stałego dla zasilania wirników w generatorach prądu przemiennego, więc ta zaleta silnika asynchronicznego nie jest tu tak istotna.
Silniki asynchroniczne dzielimy na dwa rodzaje —
pierścieniowe i
klatkowe. Silnik pierścieniowy jest trochę podobny do silnika synchronicznego — ma identycznie zbudowany stojan i wirnik z uzwojeniem. Podstawową różnicą jest schemat połączeń tego uzwojenia. Jak już napisałem, w silniku synchronicznym tworzy ono klasyczny elektromagnes podłączony do zewnętrznego źródła prądu stałego, natomiast w silniku asynchronicznym jest ono z reguły zmniejszoną kopią uzwojenia stojana, a jego końce wyprowadza się na obrotowe pierścienie, umieszczone na wale wirnika. Tam uzwojenie się zwiera, lub podłącza się do niego tak zwane oporniki rozruchowe, zmniejszające prąd w sieci w trakcie uruchamiania silnika. Jest to ważna zaleta w przypadku jednostek o dużej mocy.
Znacznie prostszą konstrukcję ma silnik klatkowy. W ogóle nie ma on uzwojenia wirnika, które zostaje zastąpione układem równoległych do siebie prętów metalowych, tworzących rodzaj pobocznicy walca. Końce prętów po obu stronach pobocznicy są połączone dwoma pierścieniami, w wyniku czego całość przypomina coś w rodzaju leżącej na boku klatki — stąd zresztą nazwa silnika. W praktyce konstrukcyjnej duże silniki mają klatki wykonane z prętów miedzianych i mosiężnych, połączonych pierścieniami zwierającymi (w małych silnikach nie wykonuje się ani prętów ani pierścieni osobno — powstają one samoistnie w wyniku wlania do pustych wycięć w pakiecie blach magnetycznych wirnika roztopionego stopu aluminiowego). Sposób, w jaki prąd generowany przez pole wirujące stojana płynie przez pręty klatki, jest uzależniony wyłącznie od charakteru tego pola — jak się zaraz okaże, jest to w omawianym przeze mnie przypadku cecha niezmiernie istotna.
Istnieje cały szereg sposobów zmiany prędkości obrotowej silników prądu przemiennego, wśród których szczególne miejsce zajmuje
zmiana ilości biegunów stojana. Wynika ona ze wzoru na prędkość obrotową
n = (60 • f) / p gdzie
n — prędkość obrotowa w obr/min,
f — częstotliwość sieci zasilającej w
Hz, 60 — współczynnik proporcjonalności przy zamianie sekund na minuty,
p — ilość par biegunów. Jak widać ze wzoru, jeżeli dwukrotnie zwiększymy ilość par biegunów w stojanie silnika (co można uzyskać przez odpowienie wykonanie i połączenie jego uzwojeń), prędkość obrotowa zmniejszy się również dwukrotnie.
Zaletą tego sposobu zmiany prędkości obrotowej jest bardzo korzystny bilans mocy. Wykorzystanie do regulacji dodatkowych oporników powoduje straty mocy (tymczasem siłownie turboelektryczne stosuje się właśnie w celu zmniejszenia tych strat), zaś zmiana częstotliwości zasilającej wymaga dość skomplikowanej regulacji napięcia w celu zachowania stałego strumienia magnetycznego. Wadą jest znaczna komplikacja konstrukcji stojana, którego obwody elektryczne muszą umożliwiać dość dużą ilość kombinacji uzwojeń dla uzyskania różnej ilości par biegunów. Poza tym zasadę tą można stosować jedynie w przypadku silników klatkowych, gdyż
conditio sine qua non pracy
każdej maszyny elektrycznej jest
zgodna ilość par biegunów wirnika i stojana. W przypadku maszyny pierścieniowej wymagałoby to wyposażenia wirnika w dokładnie taki sam układ nabiegunników i uzwojeń (co jest niezwykle trudne z technicznego punktu widzenia), w przypadku silnika klatkowego jest to wszakże zbyteczne, gdyż klatka sama "tworzy" odpowiednią ilość obwodów elektrycznych. I bez tego silnik zmiennobiegunowy jest bardzo skomplikowanym układem, a konstrukcyjną konsekwencją tego jest wzrost średnicy stojana — silnik robi się bardzo "pękaty", co zresztą ładnie widać na rysunkach z Friedmana, załączonych przez Andrzeja J.
Reasumując, z tekstu Rippona wynika niezbicie, iż jednostkami napędowymi pancerników typu New Mexico były
asynchroniczne silniki klatkowe prądu przemiennego o zmiennej ilości par biegunów. Potwierdzenie tego wniosku można znaleźć w tekście nieco dalej, przy omawianiu prędkości obrotowych silników, dlatego pozwolę sobie napomknąć o tym później.
Dziwne słowa jakieś: "stojan", "silnik synchroniczny". Muszę iść się uczyć polskiego.
