Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Maszyny i urz

ą

dzenia

elektryczne - wprowadzenie

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Ogólne wiadomo

ś

ci o maszynach elektrycznych

Maszyna elektryczna jest to urz

ą

dzenie elektryczne słu

żą

ce do

przetwarzania energii. Cech

ą

charakterystyczn

ą

maszyn elektrycznych

jest to,

ż

e zachodz

ą

ce w nich przemiany energii odbywaj

ą

si

ę

za

po

ś

rednictwem pola magnetycznego i przy udziale ruchu.

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Podział maszyn elektrycznych

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Podział maszyn elektrycznych

Ze wzgl

ę

du na ró

ż

nice konstrukcyjne maszyny elektryczne dzielimy na:

– maszyny elektryczne wiruj

ą

ce,

– maszyny elektryczne liniowe,
– transformatory – przetwarzanie energii odbywa si

ę

bez udziału ruchu.

Ze wzgl

ę

du na rodzaj przetwarzanej energii maszyny wiruj

ą

ce dzielimy na:

– silniki,
– pr

ą

dnice,

– przetwornice.

Ze wzgl

ę

du na rodzaj pr

ą

du maszyny elektryczne dzielimy na:

– maszyny pr

ą

du stałego,

– maszyny pr

ą

du przemiennego:

a) jednofazowe,
b) wielofazowe.

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Podział maszyn elektrycznych

Maszyny pr

ą

du stałego, ze wzgl

ę

du na sposób zasilania uzwojenia

wzbudzenia, dzielimy na:

– obcowzbudne,
– samowzbudne:

a) bocznikowe,
b) szeregowe,
c) szeregowo-bocznikowe.

Maszyny pr

ą

du przemiennego dziel

ą

si

ę

na:

– synchroniczne,
– asynchroniczne (indukcyjne),
– komutatorowe

a) jednofazowe,
b) trójfazowe.

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Podstawowe zjawiska fizyczne wyst

ę

puj

ą

ce w maszynach

elektrycznych

Najwa

ż

niejszymi zjawiskami zwi

ą

zanymi z działaniem maszyn

elektrycznych s

ą

:

- zjawiska elektromagnetyczne,
- zjawiska indukcji elektromagnetycznej,
- zjawiska elektrodynamiczne,
- zjawiska cieplne.

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Reguł

ą ś

ruby prawoskr

ę

tnej – pole magnetyczne wokół przewodu z

pr

ą

dem.

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Linie pola magnetycznego wytworzonego przez pr

ą

d płyn

ą

cy w

cewce – reguła prawej r

ę

ki

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Reguła lewej dłoni

Na przewód z pr

ą

dem umieszczony w polu magnetycznym działa

siła F. jej kierunek działania jest prostopadły do kierunku przepływu pr

ą

du i

kierunku pola magnetycznego. Siła ta wypycha przewód z pola
magnetycznego i zwana jest sił

ą

Lorentza.

l

I

B

F

⋅

⋅

=

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Reguła lewej dłoni

l

I

B

F

⋅

⋅

=

F – siła

B – indukcja magnetyczna

I – pr

ą

d

L – długo

ść

przewodnika na

który oddziałuje pole

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Powstanie momentu siły

Ramka przewodz

ą

ca pr

ą

d umieszczona w polu magnetycznym wzbudza

własne pole magnetyczne. Pole to współdziała z pole magnetycznym magnesu i
powstaje pole magnetyczne wypadkowe powoduj

ą

c ruch obrotowy ramki do

momentu kiedy linie pola magnetycznego b

ę

d

ą

miały ten sam kierunek.

Chc

ą

uzyska

ć

stały obrót nale

ż

y zastosowa

ć

komutator – urz

ą

dzenie

zmieniaj

ą

ce kierunek przepływu pr

ą

du.

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Indukcja elektromagnetyczna

W 1831 r. Michael Faraday odkrył zjawisko indukcji elektromagnetycznej i
sformułował prawo : „Zjawisko indukcji elektromagnetycznej polega na
powstawaniu napi

ę

cia indukowanego lub inaczej SEM w uzwojeniu przy

jakiejkolwiek zmianie strumienia magnetycznego skojarzonego z
uzwojeniem”

Przypadki zjawiska indukcji elektromagnetycznej:
− indukowanie siły elektromotorycznej w przewodzie poruszaj

ą

cym si

ę

w polu

magnetycznym – siła elektromotoryczna rotacji,

− indukowanie siły elektromotorycznej w cewce (przewodzie) na skutek zmian pr

ą

du

w niej płyn

ą

cego nazywane zjawiskiem indukcji własnej lub samoindukcji – siła

elektromotoryczna indukcji własnej, samoindukcji,

− indukowanie siły elektromotorycznej w cewce na skutek zmian pr

ą

du w innej cewce

sprz

ęż

onej magnetycznie z cewk

ą

rozpatrywan

ą

nazywane zjawiskiem indukcji

wzajemnej – siła elektromotoryczna indukcji wzajemnej lub transformacji.

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Zjawisko indukcji elektromagnetycznej.

Zjawisko indukcji

elektromagnetycznej polega
na indukowaniu si

ę

SEM w

przewodzie poruszaj

ą

cym si

ę

w polu magnetycznym lub w
zamkni

ę

tym obwodzie

obejmuj

ą

cym zmienny w

czasie strumie

ń

magnetyczny.

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Indukcja wzajemna cewek

Dwie cewki uło

ż

one wzgl

ę

dem siebie w taki sposób,

ż

e pole

magnetyczne jednej z nich przenika cho

ć

by cz

ęś

ciowo cewk

ę

drug

ą

,

nazywany cewkami sprz

ęż

onymi magnetycznie,.

Je

ż

eli w jednej ze sprz

ęż

onych cewek zmienia si

ę

warto

ść

pr

ą

du,

to w drugiej indukuje si

ę

SEM i na odwrót. Zjawisko to nazywany indukcj

ą

wzajemn

ą

.

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Obwody magnetyczne

Obwód magnetyczny
nierozgał

ę

ziony ze szczelina

powietrzn

ą

Obwód magnetyczny rozgał

ę

ziony

ze szczelina powietrzn

ą

Magnetowody obwodów magnetycznych najcz

ęś

ciej wykonuje si

ę

z

materiałów ferromagnetycznych, które maj

ą

zdolno

ść

skupiania

strumienia magnetycznego. Dzi

ę

ki temu wyst

ę

puje mały strumie

ń

rozproszenia.

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Zjawiska cieplne w maszynach elektrycznych

Przepływowi pr

ą

du elektrycznego towarzyszy zawsze zjawisko

wydzielania si

ę

energii cieplnej. Dla maszyn jest to zjawisko

niepo

żą

dane, gdy

ż

powoduje nagrzewanie si

ę

maszyny i zmniejszenie

jej sprawno

ś

ci.

Ź

ródła energii cieplnej w maszynach to :

– przepływ pr

ą

du przez uzwojenia maszyny,

– przepływ pr

ą

dów wirowych w rdzeniu,

– przemagnesowywanie rdzenia (p

ę

tla histerezy jest miar

ą

strat

histerezowych),

– dielektryk poddany działaniu zmiennego pola elektrycznego,
– tarcie w ło

ż

yskach i szczotek o komutator lub pier

ś

cienie

ś

lizgowe.

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Straty w maszynach elektrycznych

Straty mocy wyst

ę

puj

ą

ce w maszynach elektrycznych mo

ż

na podzieli

ć

na

4 grupy:
1) straty mocy w uzwojeniach

∆

P

Cu

= R

Cu

·

I

2

– obci

ąż

eniowe straty mocy,

powstaj

ą

podczas przepływu pr

ą

du w uzwojeniach – straty zmienne;

2) straty mocy w rdzeniu

∆

P

Fe

– wiropr

ą

dowe

∆

P

w

= c

w

B

2

·

f

2

(wywołane

przez pr

ą

dy wirowe powstaj

ą

ce w przewodniku znajduj

ą

cym si

ę

w

zmiennym polu magnetycznym) i histerezowe

∆

P

h

= c

h

·

B

2

·

f (powstaj

ą

ce

podczas przemagnesowywania rdzenia a zwi

ą

zane z niejednoznaczno

ś

ci

ą

charakterystyki magnesowania) – jałowe straty mocy, straty stałe;
3) mechaniczne straty mocy

∆

P

m

– powstaj

ą

ce wskutek tarcia w

ło

ż

yskach, tarcia szczotek o komutator lub pier

ś

cienie

ś

lizgowe, tarcie

cz

ęś

ci wiruj

ą

cych o powietrze lub inny czynnik chłodz

ą

cy – straty stałe;

4) dodatkowe straty mocy

∆

P

d

– wyst

ę

puj

ą

ce w dielektryku znajduj

ą

cym

si

ę

w zmiennym polu elektrycznym.

∆

P =

∆

P

Cu

+

∆

P

Fe

+

∆

P

m

+

∆

P

d

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Sprawno

ść

maszyn elektrycznych

Pod poj

ę

ciem sprawno

ś

ci nale

ż

y rozumie

ć

stosunek wielko

ś

ci u

ż

ytecznej

do wielko

ś

ci dostarczonej tego samego rodzaju.

Dla maszyn elektrycznych sprawno

ś

ci

ą

nazywamy stosunek mocy

czynnej wydanej przez maszyn

ę

P do mocy czynnej pobranej P

in

(dostarczonej).

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Sprawno

ść

maszyn elektrycznych

Poniewa

ż

cz

ęść

strat zale

ż

y od obci

ąż

enia, sprawno

ść

maszyny nie jest

stała i zmienia si

ę

przy zmianie obci

ąż

enia.

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Sprawno

ść

maszyn elektrycznych

Straty mocy w maszynach sa nieznaczne w stosunku do mocy
przetworzonej dlatego sprawno

ść

maszyn elektrycznych w porównaniu ze

sprawno

ś

ci

ą

innych maszyn (np. Spalinowych) jest bardzo du

ż

a i w

znacznym stopniu zale

ż

y od mocy maszyny:

• dla maszyn najwi

ę

kszych mocy

η

= 0,97 ÷ 0,99

• dla maszyn

ś

redniej i małej mocy

η

= 0,8 ÷ 0,9

• dla mikromaszyn (o mocy kilku watów)

η

= 0,2 ÷ 0,3

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Nagrzewanie si

ę

maszyn elektrycznych

Straty mocy sa

ź

ródłem wydzielaj

ą

cego si

ę

ciepła

Krzywa nagrzewania maszyny

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Stygni

ę

cie maszyn elektrycznych

Krzywa stygni

ę

cia maszyny

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Nagrzewanie si

ę

i stygni

ę

cie maszyn elektrycznych

Nagrzewanie maszyny mo

ż

na zmniejszy

ć

poprzez:

• zmniejszenie strat

∆

PCu,

∆

PFe,

∆

Pm,

∆

Pd

• powi

ę

kszenie powierzchni chłodzenia

• wzmo

ż

enie intensywno

ś

ci chłodzenia

Je

ż

eli warunki chłodzenia w maszynie ulegaj

ą

pogorszeniu, a

nie chcemy przy tym dopu

ś

ci

ć

do wzrostu temperatury maksymalnej, to

nale

ż

y odpowiednio zmniejszy

ć

obci

ąż

enie maszyny

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Rodzaj pracy maszyn el.

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Rodzaj pracy maszyn el.

Praca ci

ą

gła – S1 – jest to praca z obci

ąż

eniem o stałej warto

ś

ci, trwaj

ą

cym

tak długo ,

ż

e maszyna osi

ą

ga stan równowagi cieplnej, przyrost temp.

cz

ęś

ci maszyny nie zmienia si

ę

wi

ę

cej ni

ż

2ºC w ci

ą

gu godziny

Praca dorywcza – S2 – jest to praca ze stałym obci

ąż

eniem trwaj

ą

cym

przez okre

ś

lony czas oraz nast

ę

puj

ą

cym pó

ź

niej postojem trwaj

ą

cym tak

długo, a

ż

maszyna stanie si

ę

praktycznie zimna.

Praca okresowa – S3 ÷ S8 – jest to praca przy obci

ąż

eniu powtarzaj

ą

cym

si

ę

okresowo, przy czym ka

ż

dy z okresów obejmuje czas pracy przy

obci

ąż

eniu o stałej warto

ś

ci oraz czas postoju

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Tabliczka znamionowa maszyn elektrycznych

Ka

ż

da maszyna el. powinna mie

ć

tabliczk

ę

znamionowa umocowana na

stałe w widocznym miejscu, posiadaj

ą

c

ą

wykaz podstawowych danych

znamionowych ustalonych dla danej maszyny podanych przez producenta.

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Podstawowe parametry znamionowe maszyn elektrycznych

1) Moc znamionowa P

N

– moc, jak

ą

maszyna mo

ż

e wyda

ć

bez

przekroczenia dopuszczalnej temperatury nagrzania,

2) Napi

ę

cie znamionowe U

N

3) Pr

ą

d znamionowy I

N

4) Znamionowa pr

ę

dko

ść

obrotowa n

N

5) Moment znamionowy silnika M

N

6) Znamionowy współczynnik mocy cos

ϕ

N

7) Sprawno

ść

znamionowa

η

N

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Podstawowe parametry znamionowe maszyn elektrycznych

8) Stopie

ń

ochrony IP

9) Rodzaj pracy S1 ÷ S10

10) Cz

ę

stotliwo

ść

znamionowa f

N

11) Przeci

ąż

alno

ść

znamionowa – stosunek momentu krytycznego do

momentu znamionowego

12) Po

ś

lizg znamionowy s

N

13) Znamionowe straty mocy

14) Pr

ą

d rozruchowy znamionowy

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Stopnie ochrony IP

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Stopnie ochrony IP

Najcz

ęś

ciej stosowane stopnie ochrony maszyn wiruj

ą

cych

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Zjawiska niekorzystne towarzysz

ą

ce pracy maszyn

1. Pr

ą

dy wirowe. Płyn

ą

pod wpływem napi

ęć

, które indukuj

ą

si

ę

we

wszystkich materiałach przewodz

ą

cych obj

ę

tych zmian

ą

strumienia

magnetycznego , a wi

ę

c zarówno w cienkich przewodach u

ż

ywanych

na uzwojenia jak i masywnych elementach stanowi

ą

cych obwód

magnetyczny lub obudow

ę

maszyny.

2. Drgania. Mog

ą

by

ć

pochodzenia mechanicznego (złe wywa

ż

enie),

elektromagnetycznego (asymetria obwodu magnetycznego),
wentylacyjnego (burzliwy przepływ czynnika chłodz

ą

cego). Na skutek

nadmiernych drga

ń

ulegaj

ą

uszkodzeniu elementy maszyn np.

ło

ż

yska. Drgania którym poddany jest organizm człowieka powoduja

zmiany patologiczne (zakłócenia zmysłu równowagi, wzroku, trwałe
uszkodzenie organów wewn

ę

trznych). Z tego powodu okre

ś

la si

ę

dopuszczalny poziom drga

ń

.

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Zjawiska niekorzystne towarzysz

ą

ce pracy maszyn

3. Hałas. W maszynach elektrycznych hałas jest spowodowany

przyczynami elektromagnetycznymi (pole przemienne – wy

ż

sze

harmoniczne), mechanicznymi (praca ło

ż

ysk, wentylatora, szczotek)

4. Zakłócenia radioelektryczne. To napi

ę

cia, pr

ą

dy lub pola

elektromagnetyczne wielkiej cz

ę

stotliwo

ś

ci towarzysz

ą

ce pracy

maszyn, a utrudniaj

ą

ce lub uniemo

ż

liwiaj

ą

ce odbiór radiowy lub

telewizyjny.

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Obsługa maszyn elektrycznych

W celu ograniczenia zagro

ż

e

ń

wynikaj

ą

cych z obsługi maszyn el.

nale

ż

y dopilnowa

ć

aby:

-

maszyny powinny by

ć

zbudowane i zainstalowane zgodnie z

zasadami wiedzy i wymaganiami przepisów budowy urz

ą

dze

ń

el.

-

Maszyny powinny by

ć

prawidłowo eksploatowane (konserwacja,

naprawy, badania itp.) zgodnie z odpowiedniki przepisami.

-

Osoby eksploatuj

ą

ce maszyny el. powinny mie

ć ś

wiadomo

ść

,

ż

e

praca ta wymaga szczególnej ostro

ż

no

ś

ci i uwagi, powinny te

ż

zna

ć

zasady organizacji pracy oraz wymagania ustalone obowi

ą

zuj

ą

cymi

przepisami w zakresie BHP

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Materiały stosowane do budowy maszyn elektrycznych

Rozwa

ż

aj

ą

c materiały wykorzystywane do budowy maszyn elektrycznych

ze wzgl

ę

du na spełniana przez nie w maszynie funkcj

ę

, rozró

ż

niamy:

- Materiały przewodz

ą

ce (materiały obwodu elektrycznego)

- Materiały magnetyczne
- Materiały elektroizolacyjne
- Materiały konstrukcyjne

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Materiały przewodz

ą

ce

Przewodnik jest to materiał, którego rezystywno

ść

(w temperaturze 20°C)

wynosi

ρ ≤

10

6

Ω·

m. Cecha charakterystyczn

ą

materiałów przewodz

ą

cych

jest ich du

ż

a konduktywno

ść

(przewodno

ść

elektryczna)

W maszynach elektrycznych z materiałów przewodz

ą

cych wykonuje si

ę

uzwojenia z drutu lub pr

ę

tów.

W maszynach elektrycznych najcz

ęś

ciej wykorzystywanymi

przewodnikami s

ą

mied

ź

, aluminium i w

ę

giel (grafit)

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Materiały przewodz

ą

ce – mied

ź

i stopy

Wa

ż

niejsze wła

ś

ciwo

ś

ci miedzi:

− bardzo du

ż

a przewodno

ść

elektryczna,

− du

ż

a przewodno

ść

cieplna,

− wysoka odporno

ść

na korozj

ę

,

− zdolno

ść

do tworzenia stopów z ró

ż

nymi pierwiastkami o bardzo

dobrych wła

ś

ciwo

ś

ciach mechanicznych.

- bardzo dobre wła

ś

ciwo

ś

ci plastyczne

- lepsze ni

ż

aluminium wła

ś

ciwo

ś

ci wytrzymało

ś

ciowe

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Materiały przewodz

ą

ce – aluminium i stopy

Wła

ś

ciwo

ś

ci fizyczne (mi

ę

dzy innymi konduktywno

ść

) aluminium

zale

żą

od czysto

ś

ci chemicznej metalu oraz od jego obróbki mechanicznej i

cieplnej. Ze wzgl

ę

du na zjawisko płyni

ę

cia s

ą

du

ż

e trudno

ś

ci przy

wykonywaniu poł

ą

cze

ń

elektrycznych.

Wykorzystywany wsz

ę

dzie tam gdzie chodzi o zmniejszenie masy

przewodów. Dzi

ę

ki mniejszej masie wła

ś

ciwej (w porównaniu z miedzi

ą

) masa

przewodów aluminiowych o takiej samej rezystancji jest około dwa razy
mniejsza ni

ż

odpowiadaj

ą

ca im masa przewodów miedzianych

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Materiały przewodz

ą

ce – w

ę

giel i grafit

Wa

ż

niejsze cechy w

ę

gla i grafitu:

− dobre przewodnictwo cieplne (zwłaszcza grafitu),
− mały ci

ęż

ar wła

ś

ciwy,

− dobra obrabialno

ść

mechaniczna.

Zastosowanie w

ę

gla (grafitu) w maszynach elektrycznych jako styki

ś

lizgowe (szczotki słu

żą

ce do poł

ą

czenia elementów wiruj

ą

cych maszyn z

elementami nieruchomymi)

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Materiały magnetyczne

- ferromagnetyki

Obwody magnetyczne

maszyn elektrycznych wykonuje
si

ę

z materiałów zapewniaj

ą

cych

uzyskanie mo

ż

liwie małej

reluktancji (oporu) na drodze
strumienia magnetycznego.
Materiałami spełniaj

ą

cymi te

wymagania s

ą

ferromagnetyki.

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Materiały izolacyjne

Materiały izolacyjne (dielektryki) składaj

ą

si

ę

z cz

ą

steczek

elektrycznie oboj

ę

tnych, w których ładunki elektryczne (poza

sporadycznymi przypadkami) s

ą

zwi

ą

zane i nie mog

ą

si

ę

przemieszcza

ć

pod wpływem pola elektrycznego. Niedoskonało

ś

ci

ą

dielektryków jest

zjawisko upływno

ś

ci, polegaj

ą

ce na przewodzeniu pr

ą

du. Przewodzenie

wynika ze sko

ń

czonej, cho

ć

bardzo du

ż

ej warto

ś

ci rezystywno

ś

ci.

Główne zastosowanie dielektryków to izolowanie obwodów

elektrycznych. Z tego powodu wa

ż

nym parametrem dla dielektryków jest

ich wytrzymało

ść

elektryczna.

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Materiały izolacyjne

Materiały elektroizolacyjne

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Materiały izolacyjne

Podział materiałów Klasy materiałów elektroizolacyjnych w zale

ż

no

ś

ci

od ich wytrzymało

ś

ci cieplnej i odporno

ś

ci na starzenie si

ę

.

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Materiały konstrukcyjne

Zadaniem materiałów konstrukcyjnych jest zapewnienie

maszynie odpowiedniej sztywno

ś

ci, wytrzymalo

ś

ci na drgania,

uderzenia itp. Ponadto w maszynach wiruj

ą

cych wymagane jest

odpowiednie uło

ż

yskowanie wirnika, zabezpieczenie elementów

nieizolowanych, stworzenie układu osłon i kanałów.

Jako materiałów konstrukcyjnych u

ż

ywa si

ę

prawie wył

ą

cznie

ró

ż

nych gatunków stali, staliwa, rzadziej

ż

eliwa.

Tylko w małych maszynach mo

ż

na spotka

ć

elementy

konstrukcyjne w postaci korpusów odlewanych ze stopów aluminium
lub cz

ęś

ci tłoczone z mas plastycznych.

Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego

Dzi

ę

kuj

ę

za uwag

ę