Charakteryzowanie procesów przetwarzania energii elektrycznej

3URMHNWZVSyáILQDQVRZDQ\]H URGNyZ(XURSHMVNLHJR)XQGXV]X6SRáHF]QHJR´

0,1,67(567:2('8.$&-,

L1$8.,

(O ELHWD0XUOLNLHZLF]

3RUDGQLNGODXF]QLD

:\GDZFD

,QVW\WXW7HFKQRORJLL(NVSORDWDFML±3D VWZRZ\,QVW\WXW%DGDZF]\

5DGRP

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Recenzenci:

mgr inż. Grażyna Adamiec

mgr inż. Henryk Krystowiak

Opracowanie redakcyjne:

mgr inż. Katarzyna Maćkowska

Konsultacja:

dr Bożena Zając

Korekta:

mgr inż. Jarosław Sitek

Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 311[08].O3.01
„Charakteryzowanie procesów przetwarzania energii elektrycznej” zawartego w modułowym
programie nauczania dla zawodu technik elektryk.

Wydawca

Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2005

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

SPIS TREŚCI

Wprowadzenie 3

Wymagania wstępne 4

Cele kształcenia

Materiał nauczania

4.1.

Ogólne wiadomości o maszynach elektrycznych

4.1.1.

Materiał nauczania

4.1.2.

Pytania sprawdzające

4.1.3.

Ćwiczenia

4.1.4.

Sprawdzian postępów

4.2.

Budowa, zasada działania i zastosowanie transformatorów

4.2.1.

Materiał nauczania

4.2.2.

Pytania sprawdzające

4.2.3.

Ćwiczenia

4.2.4.

Sprawdzian postępów

4.3.

Budowa, zasada działania i zastosowanie silników
indukcyjnych

4.3.1.

Materiał nauczania

4.3.2.

Pytania sprawdzające

4.3.3.

Ćwiczenia

4.3.4.

Sprawdzian postępów

4.4.

Budowa, zasada działania i zastosowanie maszyn
synchronicznych

4.4.1.

Materiał nauczania

4.4.2.

Pytania sprawdzające

4.4.3.

Ćwiczenia

4.4.4.

Sprawdzian postępów

4.5.

Budowa, zasada działania i zastosowanie maszyn
komutatorowych prądu stałego i przemiennego

4.5.1.

Materiał nauczania

4.5.2.

Pytania sprawdzające

4.5.3.

Ćwiczenia

4.5.4.

Sprawdzian postępów

Sprawdzian osiągnięć

Literatura

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

WPROWADZENIE

Poradnik będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy (kształtowaniu umiejętności)

z zakresu jednostki modułowej 311[08].O3.01 „Charakteryzowanie procesów przetwarzania
energii elektrycznej”.
W poradniku zamieszczono:
–

cele kształcenia,

–

materiał nauczania,

–

pytania sprawdzające,

–

ćwiczenia,

–

sprawdziany postępów,

–

sprawdzian osiągnięć,

–

literaturę.

Szczególną uwagę zwróć na:
–

powiązanie zjawisk elektrodynamicznych występujących w polu magnetycznym z zasadą
działania maszyn wirujących,

–

powiązanie zjawiska indukcji elektromagnetycznej z działaniem maszyn elektrycznych,

–

powiązanie właściwości ferromagnetyków z elementami budowy maszyn elektrycznych,

–

opanowanie umiejętności rozróżniania typowych rodzajów transformatorów, prądnic
i silników elektrycznych,

–

opanowanie umiejętności

rozpoznawania

podzespołów

maszyn

elektrycznych

i stosowanie poprawnego nazewnictwa,

–

poprawną interpretację informacji zawartych na tabliczkach znamionowych,

–

analizę pracy maszyn elektrycznych na podstawie ich schematów i charakterystyk.
Korzystając z poradnika nie ucz się pamięciowo, ale staraj się kojarzyć fakty. Analizując

zasadę działania i budowę maszyn pamiętaj o prawach obowiązujących w

polu

magnetycznym i zjawiskach w nim występujących, a zagadnienia budowy i zasady działania
okażą się oczywiste. Staraj się samodzielnie wyciągać wnioski.

Z zagadnieniem przetwarzania energii elektrycznej spotykamy się na co dzień. Silniki

elektryczne, stosowane między innymi w: sprzęcie gospodarstwa domowego,
elektronarzędziach i

pojazdach samochodowych, przetwarzają energię elektryczną na

mechaniczną. Transformatory, znajdujące zastosowanie m.in. w: sprzęcie elektronicznym,
zasilaczach, ładowarkach akumulatorów a także na początkach i na końcach linii
elektroenergetycznych, przetwarzają energię prądu przemiennego o jednym napięciu i prądzie
na energię elektryczną o innym napięciu i prądzie, przy tej samej częstotliwości i mocy.

Elektromechanicznymi źródłami energii elektrycznej (napięcia) są prądnice wytwarzające

energię elektryczną na skalę przemysłową w elektrowniach a także występujące w każdym
pojeździe samochodowym.

Pojawiający się w tekście i w opisie rysunków zapis [1], [2] wskazuje pozycję literatury

podanej w wykazie , z której pochodzi fragment tekstu lub rysunek.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

WYMAGANIA WSTĘPNE

Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej „Charakteryzowanie procesów

przetwarzania energii elektrycznej” powinieneś umieć:
–

interpretować zależności matematyczne i wnioskować o wpływie poszczególnych
składników na wartość liczbową wyrażenia,

–

rysować przebieg funkcji na podstawie jej zapisu arytmetycznego,

–

opisywać właściwości funkcji na podstawie jej przebiegu,

–

rysować i odczytywać wykresy wektorowe oraz analizować zależności matematyczne
między wielkościami opisującymi dwójnik szeregowy i równoległy RL w obwodzie
prądu sinusoidalnego,

–

zapisywać i interpretować prawo Joule’a – Lenza,

–

interpretować zjawisko indukcji elektromagnetycznej,

–

analizować zjawisko indukcji elektromagnetycznej,

–

interpretować zjawiska elektrodynamiczne występujące w polu magnetycznym,

–

definiować i interpretować podstawowe prawa obwodów elektrycznych i magnetycznych,

–

stosować reguły śruby prawoskrętnej i prawej ręki do wyznaczania zwrotu strumienia
magnetycznego,

–

stosować regułę lewej dłoni do wyznaczania zwrotu siły elektrodynamicznej i prawej
dłoni do wyznaczania zwrotu siły elektromotorycznej.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

CELE KSZTAŁCENIA

W wyniku realizacji programu jednostki modułowej „Charakteryzowanie procesów

przetwarzania energii elektrycznej” powinieneś umieć:
–

sklasyfikować maszyny elektryczne ze względu na rodzaj prądu, zasadę działania,
budowę oraz rodzaj przetwarzanej energii,

–

scharakteryzować pracę transformatora i maszyn wirujących jako przetworników energii,

–

wyjaśnić zasadę odwracalności pracy maszyn elektrycznych,

–

wyjaśnić zasadę działania podstawowych rodzajów maszyn elektrycznych,

–

rozróżnić maszyny elektryczne na podstawie wyglądu zewnętrznego, schematu i tabliczki
znamionowej,

–

rozpoznać elementy konstrukcyjne podstawowych maszyn elektrycznych i określić ich
przeznaczenie,

–

zinterpretować parametry transformatorów i maszyn wirujących umieszczone na
tabliczkach znamionowych,

–

obliczyć podstawowe parametry różnych rodzajów maszyn elektrycznych wykorzystując
zależności między nimi,

–

scharakteryzować podstawowe właściwości ruchowe maszyn elektrycznych,

–

wyjaśnić przyczyny powstawania strat mocy w maszynach elektrycznych i określić ich
sprawność,

–

skorzystać z literatury, katalogów i dokumentacji technicznej maszyn elektrycznych,

–

zastosować zasady bhp podczas obsługi maszyn elektrycznych.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

MATERIAŁ NAUCZANIA

4.1.

Ogólne wiadomości o maszynach elektrycznych

4.1.1.

Materiał nauczania

Podział maszyn elektrycznych

Maszyna elektryczna to urządzenie elektromechaniczne przetwarzające energię:
–

elektryczną w mechaniczną,

–

mechaniczną w elektryczną,

–

elektryczną w elektryczną przy zmianie takich wielkości jak: napięcie, prąd
i częstotliwość,

z wykorzystaniem pola magnetycznego i przy udziale ruchu.
Ze względu na istotne różnice konstrukcyjne maszyny elektryczne dzielimy na:
–

maszyny elektryczne wirujące,

–

maszyny elektryczne liniowe,

–

transformatory – przetwarzanie energii odbywa się bez udziału ruchu.

Ze względu na rodzaj przetwarzanej energii maszyny wirujące dzielimy na:
–

silniki,

–

prądnice,

–

przetwornice.

Ze względu na rodzaj prądu maszyny elektryczne dzielimy na:
–

maszyny prądu stałego,

–

maszyny prądu przemiennego:

jednofazowe,

wielofazowe.

Maszyny prądu stałego, ze względu na sposób zasilania uzwojenia wzbudzenia, dzielimy na:
–

obcowzbudne,

–

samowzbudne:

bocznikowe,

szeregowe,

szeregowo-bocznikowe.

Maszyny prądu przemiennego dzielą się na:
–

synchroniczne,

–

asynchroniczne (indukcyjne),

–

komutatorowe

jednofazowe,

trójfazowe.

Podstawowe zjawiska fizyczne występujące w maszynach elektrycznych

Najważniejszymi zjawiskami związanymi z działaniem maszyn elektrycznych są:

zjawiska elektromagnetyczne,

zjawiska indukcji elektromagnetycznej,

zjawiska elektrodynamiczne,

zjawiska cieplne.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Zjawiska elektromagnetyczne

Do działania maszyn elektrycznych niezbędne jest pole magnetyczne. Pole magnetyczne

występuje wokół magnesu trwałego i poruszających się ładunków elektrycznych. Wokół
przewodu wiodącego prąd powstaje pole magnetyczne, a zwrot strumienia magnetycznego

a tym samym wektora indukcji magnetycznej B, zależy od zwrotu prądu I (rys.1.a). Zwrot
pola magnetycznego wokół cewki zależy od zwrotu prądu oraz od kierunku nawinięcia
(rys.1.b). Do wyznaczenia zwrotu strumienia magnetycznego wokół przewodu z prądem
możemy posłużyć się regułą śruby prawoskrętnej a wokół cewki skupionej regułą prawej ręki.

Rys. 1. Zwrot strumienia magnetycznego: a) wokół przewodu prostoliniowego: a

) prąd płynie za płaszczyznę

rysunku, a

) prąd płynie zza płaszczyzny rysunku, b) wytworzonego przez cewkę skupioną:

) uzwojenie lewoskrętne, b

) uzwojenie prawoskrętne.

W maszynach elektrycznych pole magnetyczne niemal wyłącznie wytwarzane jest przez
przepływ prądu w cewce skupionej umieszczonej na rdzeniu wykonanym z ferromagnetyka.

Przepływem

przez powierzchnię S nazywamy sumę algebraiczną prądów

przepływających przez tę powierzchnię czyli:

Znak „+” piszemy, gdy zwrot prądu I jest podporządkowany kierunkowi obiegu krzywej
brzegowej powierzchni S zgodnie z regułą śruby prawoskrętnej.
W cewce w każdym zwoju płynie ten sam prąd I, dlatego też dla cewki o N zwojach możemy
napisać:

= N

⋅

Jednym z podstawowych praw obwodów magnetycznych jest prawo przepływu, które określa
związek między przepływem

i natężeniem pola magnetycznego H: Suma iloczynów

natężeń pola magnetycznego H

i odcinków linii pola l

, wzdłuż których natężenie pola nie

ulega zmianie, branych po drodze zamkniętej, równa się przepływowi prądu obejmowanemu
przez tę drogę zamkniętą, co możemy zapisać:

∑

⋅

gdzie: l

odcinek drogi strumienia magnetycznego, wzdłuż którego występuje natężenie pola

, a cała droga zamknięta l = l

+ l

...

+ l

Jeśli natężenie pola nie zmienia się wzdłuż całej drogi l to

∑

⋅

i prawo

przepływu możemy zapisać:

⋅

l =

Dokładniej zjawiska te zostały omówione w jednostce modułowej 311[08].O1.03

„Analiza zjawisk występujących w polu elektrycznym i magnetycznym”.
Strumieniem skojarzonym

z cewką o liczbie zwojów N nazywamy sumę strumieni

magnetycznych

sprzężonych z każdym ze zwojów cewki.

∑

)

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

W przypadku cewki skupionej z każdym ze zwojów skojarzony jest ten sam strumień, a więc
strumień skojarzony z cewką obliczamy z zależności:

= N

⋅

Indukcyjnością własną cewki L nazywamy stosunek strumienia

wytworzonego przez prąd

płynący w cewce i skojarzonego z cewką do prądu I, który ten strumień wytworzył.

O dwóch cewkach możemy powiedzieć, że są sprzężone magnetycznie, jeżeli strumień

magnetyczny wytworzony przez prąd płynący w jednej cewce choć częściowo obejmuje
drugą cewkę.

Indukcyjnością wzajemną M dwóch cewek nazywamy stosunek strumienia

magnetycznego

wytworzonego przez prąd I

płynący w jednej z cewek, skojarzonego

z drugą z cewek do prądu, który ten strumień wytworzył.

Miarą stopnia sprzężenia magnetycznego dwóch cewek o indukcyjnościach własnych L

i L

jest współczynnik sprzężenia magnetycznego:

⋅

Współczynnik sprzężenia magnetycznego może przyjmować wartości z zakresu 0

≤

Zjawisko indukcji elektromagnetycznej

W 1831 r. Michael Faraday odkrył prawo indukcji elektromagnetycznej, które można

sformułować następująco:
Zjawisko indukcji elektromagnetycznej polega na powstawaniu napięcia indukowanego,
inaczej siły elektromotorycznej, w uzwojeniu przy jakiejkolwiek zmianie strumienia
magnetycznego skojarzonego z tym uzwojeniem
i zapisać matematycznie:

∆

−

∆

−

Znak minus w równaniach wynika z reguły Lenza akcji i reakcji zwanej regułą „przekory”.
Możemy wyodrębnić trzy szczególne przypadki zjawiska indukcji elektromotorycznej:
1.

Indukowanie siły elektromotorycznej e w przewodzie o długości l poruszającym się
z prędkością

w polu magnetycznym o indukcji B – siła elektromotoryczna rotacji.

Jeśli przewód porusza się w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku linii sił pola
magnetycznego, to wartość siły elektromotorycznej rotacji wyznaczamy z zależności:

e = B

⋅

Jeżeli kierunek wektora prędkości

i wektora indukcji B tworzą kąt

, to wartość siły

elektromotorycznej rotacji wyznaczamy ze wzoru:

e = B

⋅

sin

Indukowanie siły elektromotorycznej w cewce (przewodzie) o indukcyjności własnej L
na skutek zmian prądu w niej płynącego nazywane zjawiskiem indukcji własnej.
Siła elektromotoryczna indukcji własnej (samoindukcji)

∆

−

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Indukowanie siły elektromotorycznej w cewce na skutek zmian prądu w innej cewce
sprzężonej magnetycznie z cewką rozpatrywaną nazywane jest zjawiskiem indukcji
wzajemnej.
Siła elektromotoryczna indukcji wzajemnej

∆

−

Dokładniej zjawiska te zostały omówione w jednostce modułowej 311[08].O1.03 „Analiza
zjawisk występujących w polu elektrycznym i magnetycznym”.

Zjawiska elektrodynamiczne

Zjawiska elektrodynamiczne związane są z działaniami dynamicznymi, występującymi

w polu magnetycznym, czyli ze zjawiskami powstawania siły. W maszynach elektrycznych
zjawiska te można sprowadzić do trzech typowych przypadków:
1.

Działanie pola magnetyczne na przewód z prądem
Jeżeli przewód o długości l umieszczony jest prostopadle do wektora indukcji B, to

wartość siły elektrodynamicznej F, z jaką pole magnetyczne oddziałuje na przewód z prądem
wyznaczamy z zależności:

F = B

⋅

gdzie: B – indukcja magnetyczna, I – natężenie prądu płynącego w przewodzie,

l – czynna długość przewodu.

Jeżeli kąt między wektorem indukcji B a przewodem nie jest prosty i wynosi

, to wzór

przyjmuje postać:

F = B

⋅

sin

Wzajemne oddziaływanie dwóch przewodów z prądem
Dwa przewody równoległe, w których płyną prądy I

i I

oddziałują na siebie siłą

proporcjonalną do iloczynu tych prądów a odwrotnie proporcjonalną do odległości a między
przewodami. Siła zależy również od przenikalności magnetycznej środowiska

, w którym

znajdują się przewody i długości czynnej l przewodów.

⋅

Działanie pola magnetycznego na elementy wykonane z materiału ferromagnetycznego.

Dokładniej zjawiska te omówione zostały w jednostce modułowej 311[08].O1.03 „Analiza
zjawisk występujących w polu elektrycznym i magnetycznym”.

Zjawiska cieplne

Przepływowi prądu elektrycznego towarzyszy zawsze zjawisko wydzielania się energii

cieplnej. Dla maszyn jest to zjawisko niepożądane, gdyż powoduje nagrzewanie się maszyny
i zmniejszenie jej sprawności. Źródła energii cieplnej w maszynach to :
–

przepływ prądu przez uzwojenia maszyny,

–

przepływ prądów wirowych w rdzeniu,

–

przemagnesowywanie rdzenia (pętla histerezy jest miarą strat histerezowych),

–

dielektryk poddany działaniu zmiennego pola elektrycznego,

–

tarcie w łożyskach i szczotek o komutator lub pierścienie ślizgowe.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Zasada odwracalności pracy maszyn elektrycznych

Działając siłą F na przewód o długości l umieszczony w polu magnetycznym

o indukcji B nadajemy mu prędkość

i jednocześnie powodujemy ruch elektronów

swobodnych będących nośnikami ładunku elektrycznego w przewodnikach kategorii I.
Na elektrony poruszające się wraz z przewodem w polu magnetycznym pole oddziałuje siłą
przemieszczając je w przewodzie w kierunku zgodnym z regułą lewej dłoni, i w efekcie
na jednym końcu przewodu mamy nadmiar elektronów (potencjał ujemny „–„) a na drugim
końcu niedobór (potencjał dodatni „+”). Między końcami przewodu powstaje różnica
potencjałów, zwana siłą elektromotoryczną rotacji.

Jeśli przewód porusza się w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku linii sił pola

magnetycznego, to wartość siły elektromotorycznej rotacji wyznaczamy z zależności:

e = B

⋅

Rys. 2. Rysunek wyjaśniający zasadę działania prądnicy: a) najprostszy model prądnicy, b) schemat zastępczy

Zwrot siły elektromotorycznej rotacji wyznaczamy za pomocą reguły prawej dłoni.

Jeżeli zamkniemy obwód podłączając do przewodu odbiornik, w przewodzie popłynie

prąd o zwrocie zgodnym ze zwrotem siły elektromotorycznej rotacji (rys.2b). Przy stałej
wartości i stałym zwrocie prędkości, w jednorodnym polu magnetycznym w przewodzie
indukuje się siła elektromotoryczna o stałej wartości E, a więc i prąd będzie miał stałą
wartość I. Ponieważ przewód z prądem I znajduje się w polu magnetycznym, działa na niego
siła elektrodynamiczna

= B

⋅

Zwrot siły elektrodynamicznej F

wyznaczamy za pomocą reguły lewej dłoni. Siła ta

ma zwrot przeciwny do siły F wprawiającej przewód w ruch (rys.4.2a). Jeśli wartości sił są
sobie równe, to przewód porusza się ruchem jednostajnym z prędkością

. Działając siłą F

wykonujemy pracę mechaniczną

= F

⋅

Ponieważ F = F

, podstawiając F

= B

⋅

l otrzymujemy

= B

⋅

= E

⋅

I = P

Wniosek: Dostarczona do przewodu moc mechaniczna P

została zamieniona na moc

elektryczną P

, maszyna pracuje jako prądnica.

Do tego samego przewodu doprowadzamy napięcie ze źródła o sile elektromotorycznej E

źr

W przewodzie o długości l znajdującym się w polu magnetycznym o indukcji B płynie prąd I,
więc pole oddziałuje na przewód siłą elektrodynamiczną

= B

⋅

w kierunku zgodnym z regułą lewej dłoni (rys. 3).

∆

odb

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 3. Rysunek wyjaśniający zasadę działania silnika: a) najprostszy model silnika, b) schemat zastępczy

Jeśli w wyniku działania tej siły przewód zostanie wprawiony w ruch ze stałą prędkością

, to

wyindukuje się w nim siła elektromotoryczna

E = B

⋅

o zwrocie zgodnym z regułą prawej dłoni (rys.3.a). Jeśli przewód porusza się ruchem
jednostajnym, to działa na niego siła zewnętrzna F równa co do wartości lecz przeciwnie
skierowana do siły F

. Moc elektryczna dostarczona ze źródła

= U

⋅

I = E

⋅

zostaje zamieniona na moc mechaniczną P

= E

⋅

I = B

⋅

I = F

⋅

= P

Wniosek: Dostarczona do przewodu moc elektryczna P

została zamieniona na moc

mechaniczną P

, maszyna pracuje jako silnik.

W maszynach wirujących mamy do czynienia z ruchem obrotowym a nie z ruchem
postępowym, ale istota zamiany energii mechanicznej w elektryczną i elektrycznej
w mechaniczną jest taka sama. Zamiast siły elektrodynamicznej F

uwzględniamy moment

elektrodynamiczny M

Straty mocy i sprawność maszyn elektrycznych

Straty mocy występujące w maszynach elektrycznych można podzielić na 4 grupy:

straty mocy w uzwojeniach

∆

= R

⋅

– obciążeniowe straty mocy, powstają podczas

przepływu prądu w uzwojeniach – straty zmienne;

straty mocy w rdzeniu

∆

– wiroprądowe

∆

= c

⋅

(wywołane przez prądy wirowe

powstające w przewodniku znajdującym się w zmiennym polu magnetycznym)
i histerezowe

∆

= c

⋅

f (powstające podczas przemagnesowywania rdzenia

a związane z niejednoznacznością charakterystyki magnesowania) – jałowe straty mocy,
straty stałe;

mechaniczne straty mocy

∆

– powstające wskutek tarcia w łożyskach, tarcia szczotek

o komutator lub pierścienie ślizgowe, tarcie części wirujących o powietrze lub inny
czynnik chłodzący – straty stałe;

dodatkowe straty mocy

∆

– występujące w dielektryku znajdującym się w zmiennym

polu elektrycznym.

∆

P =

∆

Pod pojęciem sprawności należy rozumieć stosunek wielkości użytecznej do wielkości
dostarczonej tego samego rodzaju.

Dla maszyn elektrycznych sprawnością nazywamy stosunek mocy czynnej wydanej przez
maszynę P do mocy czynnej pobranej P

(dostarczonej).

a) b)

∆

źr

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

a ponieważ

= P +

∆

to sprawność

∆

−

∆

−

∆

< 1

Parametry znamionowe maszyn elektrycznych

Parametry znamionowe to zespół parametrów, ustalonych dla danej maszyny i podanych

przez wytwórcę, charakteryzujących pracę, do jakiej w określonych warunkach maszyna jest
przeznaczona.

Do podstawowych parametrów znamionowych należą:

Moc znamionowa P

– moc, jaką maszyna może wydać bez przekroczenia dopuszczalnej

temperatury nagrzania:
–

dla silnika jest to moc mechaniczna oddana do maszyny roboczej: P

– dla silnika prądu stałego

cos

– dla silnika jednofazowego

cos

– dla silnika trójfazowego

–

dla prądnicy jest to moc elektryczna oddana do odbiornika.

Napięcie znamionowe U

– wartość skuteczna napięcia międzyfazowego dla maszyn

prądu przemiennego oraz wartość napięcia stałego dla maszyn prądu stałego.

Prąd znamionowy I

– wartość skuteczna prądu przewodowego dla maszyn prądu

przemiennego i wartość prądu stałego dla maszyn prądu stałego w stanie nagrzanym.

Znamionowa prędkość obrotowa n

(lub kątowa

) – prędkość, z jaką wiruje silnik

obciążony mocą znamionową przy zasilaniu napięciem znamionowym.

Moment znamionowy silnika M

Znamionowy współczynnik mocy cos

– występuje przy obciążeniu znamionowym

w stanie nagrzanym, a dla maszyn z możliwością regulacji mocy biernej określa go
wytwórca i podaje na tabliczce znamionowej.

Sprawność znamionowa

inN

Stopień ochrony IP

Rodzaj pracy S1

Częstotliwość znamionowa f

Przeciążalność znamionowa – stosunek momentu krytycznego do momentu
znamionowego:

Poślizg znamionowy s

– dla maszyn asynchronicznych:

−

Znamionowe straty mocy w uzwojeniach

∆

CuN

– straty mocy czynnej w uzwojeniach

przy przepływie prądu znamionowego.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Znamionowe straty mocy w rdzeniu

∆

FeN

– straty przy napięciu znamionowym

i częstotliwości znamionowej.

Prąd jałowy I

10N

Współczynnik mocy silnika na biegu jałowym cos

10N

Prąd rozruchowy znamionowy – jako krotność prądu znamionowego.

Znamionowy moment rozruchowy użyteczny M

– jako krotność momentu

znamionowego przy rozruchu bezpośrednim.

Podstawowe właściwości ruchowe maszyn elektrycznych
Z uwagi na zróżnicowane wymagania związane z zastosowaniem i wymaganiami maszyn

roboczych, maszyny elektryczne powinny mieć różne właściwości ruchowe, co uwzględniają
konstruktorzy i wytwórcy maszyn.

Właściwości ruchowe już istniejących maszyn można zbadać laboratoryjnie. Na etapie

projektowania właściwości ruchowe określa się na drodze obliczeniowej.
Właściwości ruchowe można przedstawić:
–

analitycznie, podając zależności matematyczne pomiędzy interesującymi użytkownika
parametrami maszyny,

–

graficznie w postaci charakterystyk ruchowych, jest to najprostszy i najbardziej
przejrzysty sposób, ale określa zależność tylko między dwoma wielkościami i wymaga
podania warunków w jakich obowiązuje dana charakterystyka,

–

opisowo, podając zestaw informacji, jak zachowuje się maszyna w określonych
warunkach pracy.

Dla każdej maszyny elektrycznej podaje się kilka charakterystyk przedstawiających zależność
między różnymi wielkościami. Jedną z podstawowych charakterystyk każdej maszyny jest
charakterystyka magnesowania

= f(

) i charakterystyka biegu jałowego E = f(I

Dla prądnicy najbardziej przydatne są charakterystyki:

–

zewnętrzna: U = f(I) przy n = const, I

= const i dla prądu zmiennego cos

= const,

–

regulacyjna: I

= f(I) przy n = const, U = const i dla prądu zmiennego cos

= const.

Dla silnika najbardziej interesujące są charakterystyki:

–

mechaniczna: n = f(M) przy U = const i np. dla silników prądu stałego I

= const a dla

prądu przemiennego f = const,

–

momentu: M = f(I) przy U = const i I

= const.

4.1.2.

Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

Jak dzielimy maszyny elektryczne ze względu na rodzaj prądu?

Jak dzielimy maszyny ze względu na zasadę działania?

Jak dzielimy maszyny ze względu na rodzaj przetwarzanej energii?

Jak dzielimy maszyny ze względu na budowę?

Na czym polega odwracalność pracy maszyn elektrycznych?

Co to są parametry znamionowe?

Jakie parametry znamionowe podaje się dla maszyn elektrycznych?

Jak zdefiniujemy napięcie znamionowe, prąd znamionowy i moc znamionową?

Jak możemy przedstawić właściwości ruchowe maszyn elektrycznych?

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.1.3.

Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Prądnica prądu stałego o sprawności

, przy obciążeniu mocą znamionową,

obciąża silnik napędzający mocą 12 kW. Oblicz moc znamionową prądnicy.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

wypisać wielkości dane i szukane,

określić, jaka moc jest mocą znamionową prądnicy a jaka silnika,

zapisać wzór na sprawność prądnicy,

zapisać wzór wiążący wielkości dane z wielkością szukaną,

przekształcić wzór, wyznaczając moc znamionową prądnicy,

podstawić wartości liczbowe, pamiętając o jednostkach głównych; krotności zamień na
jednostki główne,

obliczyć moc znamionową prądnicy,

wpisać jednostkę i podać odpowiedź.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

kalkulator,

−

arkusze papieru format A4,

−

podręcznik.

Ćwiczenie 2

Straty mocy w silniku prądu stałego przy obciążeniu mocą znamionową P

= 12,5 kW

wynoszą 500 W. Oblicz sprawność silnika.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

wypisać wielkości dane i szukane,

zapisać zależność pomiędzy mocą oddaną przez silnik a dostarczoną do silnika,

zapisać wzór wiążący wielkości dane i wielkość szukaną,

przekształcić wzór wyznaczając moc znamionową prądnicy,

podstawić wartości liczbowe, pamiętając o jednostkach głównych; krotności zamień na
jednostki główne,

obliczyć moc znamionową prądnicy,

wpisać jednostkę i podać odpowiedź.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

kalkulator,

−

arkusze papieru format A4,

−

podręcznik.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.1.4.

Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) zdefiniować parametry znamionowe maszyn elektrycznych?



2) sklasyfikować maszyny elektryczne według podanego kryterium?



3) wyjaśnić zasadę odwracalności pracy maszyn elektrycznych?



4) wymienić sposoby przedstawiania właściwości ruchowych

maszyn elektrycznych?



5) obliczyć moc i sprawność korzystając z zależności między nimi?



„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2.

Budowa, zasada działania i zastosowanie transformatorów

4.2.1.

Materiał nauczania

Budowa transformatorów

Transformator jest maszyną elektryczną niewirującą (urządzeniem elektrycznym),

działającą na zasadzie indukcji elektromagnetycznej, przetwarzającą energię elektryczną
o jednym napięciu i prądzie na energię elektryczną o innym napięciu i prądzie przy tej samej
częstotliwości i mocy.
W transformatorze wyróżniamy dwa obwody:
–

obwód elektryczny, który stanowią co najmniej dwa uzwojenia (z wyjątkiem
autotransformatora) wykonane z miedzi,

–

obwód magnetyczny – rdzeń wykonany z ferromagnetyka,

oraz elementy dodatkowe, do których w zależności od mocy i konstrukcji należą:
–

zaciski lub izolatory górnego i dolnego napięcia, do których z jednej strony podłączone
są końce uzwojeń transformatora, a z drugiej obwód zewnętrzny,

–

obudowa lub kadź w transformatorach olejowych,

–

w transformatorach olejowych: konserwator – zbiornik wyrównawczy oleju, wskaźnik
poziomu oleju, przekaźnik gazowo-przepływowy, wskaźnik zawilgocenia powietrza,
odwilżacz powietrza.

Rozróżnia się dwa zasadnicze typy uzwojeń:
–

współśrodkowe, nazywane cylindrycznymi (rys.4.a),

–

krążkowe (rys.4.b).

Rys. 4. Uzwojenia transformatora: a) uzwojenie cylindryczne, b) uzwojenie krążkowe

DN – uzwojenie dolnego napięcia, GN – uzwojenie górnego napięcia

Uzwojenie może być nawinięte przewodem o przekroju kołowym lub prostokątnym.

Rdzenie transformatorów energetycznych są wykonane z pasków blach żelazo-

-krzemowych, zwanych blachami transformatorowymi. Blachy izolowane są przez
jednostronne oklejenie bibułką lub pokrycie lakierem izolacyjnym.

Rdzeń jest składany z części, przy czym jarzma mogą być układane na styk (rys.6b) lub

na zakładkę (rys.6a). Przy układaniu jarzma na styk, aby zapobiec zwarciu blach, należy
zastosować przekładkę izolacyjną, która zwiększa szczelinę.

W niektórych transformatorach jednofazowych stosowane są rdzenie zwijane, wykonane

z blach transformatorowych w postaci taśm. Kolumna rdzenia może mieć przekrój
prostokątny lub schodkowy (wpisany w koło).

W transformatorach większych mocy stosowane są kanały chłodzące (do przepływu

czynnika chłodzącego) i wówczas rdzeń wykonany jest z pakietów blach.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 5. Transformator jednofazowy: a) płaszczowy, b) rdzeniowy

1 – kolumny, 2 – jarzmo dolne, 3 – jarzmo górne

Rys. 6. Zasada składania rdzenia kolumnowego z blach: a) zaplatanego, b) na styk

Transformatory ze względu na sposób odprowadzania ciepła dzielą się na:
–

transformatory suche – chłodzone powietrzem,

–

transformatory olejowe.

Dla zwiększenia intensywności oddawania ciepła zwiększa się powierzchnię chłodzącą kadzi
przez nadanie kadzi kształtu falistego, zastosowanie radiatorów lub kadzi rurowych.

Zasada działania

Działanie transformatora oparte jest na zjawisku indukcji elektromagnetycznej, które

matematycznie zapisujemy:

( )

∆

−

gdzie: N – liczba zwojów szeregowych skojarzonych ze strumieniem

(t)

Jeśli wymuszeniem jest napięcie sinusoidalnie zmienne, to strumień jest również
sinusoidalnie zmienny

( )

sin

gdzie:

– amplituda strumienia;

= 2

f – pulsacja strumienia.

Funkcja czasowa indukowanej siły elektromotorycznej transformacji ma postać:

cos

gdzie: 2

= E

– amplituda siły elektromotorycznej

Uzwojenie transformatora, do którego podłączone jest źródło napięcia, nazywane jest
uzwojeniem pierwotnym, a wielkości dotyczące tego uzwojenia oznaczane są indeksem 1.
Uzwojenie, do którego podłączamy odbiornik, nazywa się uzwojeniem wtórnym, a wielkości
dotyczące tego uzwojenia oznacza są indeksem 2.
Sinusoidalnie zmienny strumień indukuje w uzwojeniu pierwotnym transformatora siłę
elektromotoryczną indukcji własnej e

cos

oraz w uzwojeniu wtórnym sprzężonym magnetycznie z uzwojeniem pierwotnym siłę
elektromotoryczną indukcji wzajemnej e

zwaną siłą elektromotoryczną transformacji

a) b)

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

cos

Amplitudy sił elektromotorycznych wynoszą odpowiednio:

= 2

Odpowiadają im wartości skuteczne:

= 4,44fN

Stosunek liczby zwojów dwóch uzwojeń transformatora (wyższego napięcia N

do niższego

napięcia N

), a tym samym stosunek indukowanych w tych uzwojeniach sił

elektromotorycznych nazywa się przekładnią zwojową n

W transformatorze, jako jedynym spośród wszystkich maszyn elektrycznych, napięcie
znamionowe określa się w stanie jałowym, czyli jeśli

= U

i I

= 0 to U

= U

Napięcie strony wtórnej transformatora, przy tej samej wartości prądu obciążenia, zmienia się
wraz ze zmianą współczynnika mocy obciążenia, a dla transformatora nie podaje się
znamionowego współczynnika mocy, gdyż nie ma on wpływu na obciążalność.
Stosunek górnego napięcia U

do dolnego napięcia U

w stanie jałowym nazywa się

przekładnią napięciową transformatora n

W transformatorze obniżającym napięcie przekładnia napięciowa jest większa od przekładni
zwojowej, ponieważ U

> E

Mocą znamionową transformatora jest moc pozorna obliczona jako iloczyn napięcia
znamionowego U

i prądu znamionowego I

oraz współczynnika skojarzenia m:

S = mU

Dla transformatora jednofazowego m = 1, a dla trójfazowego m = 3 .
Ze względu na możliwość przenoszenia energii przez transformator w dowolnym kierunku,
w transformatorach dwuuzwojeniowych oba uzwojenia wymiarowane są jednakowo, czyli

W skrócie zasadę działania można przedstawić następująco:

Przepływ prądu zmiennego i

przez uzwojenie pierwotne wytwarza zmienny strumień

magnetyczny, który indukuje w uzwojeniu pierwotnym siłę elektromotoryczną indukcji
własnej o wartości skutecznej

= 4,44N

oraz w uzwojeniu wtórnym, sprzężonym magnetycznie z uzwojeniem pierwotnym, siłę
elektromotoryczną indukcji wzajemnej, transformacji o wartości skutecznej

= 4,44N

Po podłączeniu odbiornika w uzwojeniu wtórnym popłynie prąd i

. Każdej zmianie natężenia

prądu i

odpowiada taka sama zmiana prądu pobieranego z sieci zasilającej

tak, aby

strumień wypadkowy miał taką samą wartość, jak w transformatorze nieobciążonym.

Wnioski:

Transformator może działać tylko przy zasilaniu ze źródła napięcia przemiennego.

Wartość siły elektromotorycznej w każdym uzwojeniu zależy od częstotliwości zmian
strumienia magnetycznego (E = 4,44

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

W każdym zwoju uzwojeń transformatora powstaje siła elektromotoryczna o takiej samej
wartości (E’ = 4,44f

Wartość siły elektromotorycznej w całym uzwojeniu zależy od liczby zwojów danego
uzwojenia.

Właściwości ruchowe transformatorów

Właściwości ruchowe transformatora można określić, obserwując zachowanie

transformatora w trzech stanach pracy (rys.7):
–

w stanie jałowym (poz. 1),

–

w stanie zwarcia (poz. 3),

–

w stanie obciążenia (poz. 2).

Stan jałowy – uzwojenie pierwotne
transformatora zasilane jest ze źródła napięcia
przemiennego, a jego obwód wtórny jest
otwarty: I

= 0, U

= E

Podczas próby stanu jałowego wyznacza się:
–

prąd stanu jałowego I

= (1

10)% I

–

straty mocy jałowe. Transformator nie oddaje żadnej mocy, a moc pobrana jest zużyta na
pokrycie strat mocy. Ponieważ straty mocy w uzwojeniach są pomijalnie małe, można
przyjąć, że moc pobrana przez transformator P

jest równa stratom w rdzeniu

∆

≈

Dokładnie

−

∆

gdzie R

– rezystancja uzwojenia pierwotnego dla prądu przemiennego.

Straty mocy w rdzeniu to suma strat wiroprądowych

∆

i histerezowych

∆

i c

– stałe o wartościach zależnych od rodzaju materiału.

∆

= (0,15

1,5)%P

, przy

czym dolna granica dotyczy transformatorów dużych mocy, górna – małych mocy.

–

przekładnię napięciową

–

współczynnik mocy w stanie jałowym

cos

–

oraz charakterystyki stanu jałowego (rys.8).

Rys. 8. Charakterystyki stanu jałowego transformatora wykreślone w układzie współrzędnych dla wartości
względnych: a) I

= f(U

), b)

∆

= f(U

)

Rys. 7. Rysunek objaśniający stany pracy
transformatora

0,02

0,01

0,5

∆

0,01

0,02

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Na podstawie wyników badań transformatora w stanie jałowym można wnioskować o stanie
rdzenia transformatora. Badania podczas eksploatacji pozwalają wnioskować o możliwości
dalszej eksploatacji transformatora, a podczas produkcji o rzetelności jego wykonania.

Stan zwarcia – uzwojenie pierwotne zasilane jest z sieci napięcia przemiennego, a obwód
wtórny jest zwarty (zaciski wyjściowe połączone są bezimpedancyjnie).

Rozróżniamy dwa rodzaje zwarć:
–

zwarcie udarowe (ruchowe, awaryjne) – występuje podczas pracy transformatora
zasilanego najczęściej napięciem znamionowym, w uzwojeniach transformatora płyną
duże prądy,

–

zwarcie pomiarowe – przeprowadzane w warunkach laboratoryjnych.

Podczas próby zwarcia pomiarowego wyznacza się:
–

napięcie zwarcia u

wyrażone w procentach napięcia znamionowego. Napięcie zwarcia

jest to napięcie, jakie należy doprowadzić do zacisków pierwotnych transformatora, aby
przy zwartych zaciskach wtórnych w uzwojeniach transformatora popłynęły prądy
znamionowe;
Napięcie zwarcia jest bardzo ważnym parametrem transformatora, gdyż decyduje
o takich właściwościach transformatora jak:
a)

zmienności napięcia wyjściowego przy zmianie obciążenia od stanu jałowego do
stanu obciążenia znamionowego,

wartości prądu podczas zwarcia udarowego

100

przydatności transformatora do pracy równoległej z innym transformatorem.

–

obciążeniowe straty mocy

∆

≈

–

współczynnik mocy w stanie zwarcia

cos

≈

–

charakterystyki zwarcia (rys.9.).

Rys. 9. Charakterystyki zwarcia transformatora

Stan obciążenia – uzwojenie pierwotne zasilane jest z sieci napięcia przemiennego,
a w obwód wtórny włączony jest odbiornik.
Przeprowadzając próbę obciążenia możemy wyznaczyć:
–

zmienność napięcia – zmianę napięcia wyjściowego przy przejściu od stanu jałowego
do obciążenia znamionowego wyrażoną w procentach napięcia znamionowego

100

⋅

−

–

rodzinę charakterystyk zewnętrznych transformatora U

= f(I

) przy U

= const,

i cos

= const (rys. 10a),

zN%

, cos

cos

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

–

zależność zmienności napięcia transformatora od współczynnika mocy obciążenia
(rys. 10b).

Rys. 10. a) charakterystyki zewnętrzne transformatora, b) zależność zmienności napięcia transformatora od
współczynnika mocy obciążenia [1]

Wnioski:

napięcie znamionowe strony wtórnej transformatora jest to napięcie w stanie jałowym
U

= U

przy zasilaniu napięciem znamionowym U

dla transformatora nie określa się znamionowego współczynnika mocy,

mocą znamionową transformatora jest moc pozorna S = U

wartość napięcia strony wtórnej transformatora w stanie obciążenia zależy od wartości
napięcia zwarcia oraz współczynnika mocy obciążenia i może zmieniać się od U

– U

(dla cos

= 0

ind

) do U

+ U

(dla cos

= 0

poj

przy obciążeniu pojemnościowym prąd obciążenia może przyjmować wartości większe
od wartości prądu zwarcia udarowego,

wraz ze zmianą wartości współczynnika mocy obciążenia zmianie ulega wartość napięcia
na zaciskach strony wtórnej transformatora przy stałej wartości prądu obciążenia,

straty mocy w rdzeniu zależą od kwadratu napięcia zasilającego

≈

∆

i nie zależą

od stopnia obciążenia transformatora oraz wartości współczynnika mocy obciążenia,

straty mocy obciążeniowe

∆

zależą od kwadratu natężenia prądu obciążenia i przy

stałej wartości prądu I

mają stałą wartość niezależnie od wartości U

i cos

Transformatory trójfazowe

Rdzeń transformatora trójfazowego można otrzymać kojarząc w gwiazdę lub trójkąt

rdzenie trzech transformatorów jednofazowych. W rdzeniach takich długość drogi strumieni
magnetycznych poszczególnych faz jest taka sama – rdzeń symetryczny. Rdzeń symetryczny
zajmuje więcej miejsca niż obecnie powszechnie stosowane rdzenie niesymetryczne, gdzie
trzy kolumny znajdują się w jednej płaszczyźnie. Prąd magnesujący w fazie środkowej jest
mniejszy niż w fazach skrajnych, gdyż obwód magnetyczny uzwojeń umieszczonych na
środkowej kolumnie jest krótszy niż uzwojeń umieszczonych na kolumnach skrajnych.
Ze względu na asymetrię prądów magnesujących dla transformatorów trójfazowych
z rdzeniem niesymetrycznym określa się średni prąd magnesujący.

Zgodnie z normą PN-75/E-81003 dotyczącą transformatorów mocy:

–

fazy transformatora oznacza się literami A, B, C a przewód neutralny N,

–

strony transformatora oznacza się cyfrą arabską umieszczoną przed literą: stronę górnego
napięcia cyfrą 1,

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

w transformatorze dwuuzwojeniowym stronę dolnego napięcia – cyfrą 2,

w transformatorze trójuzwojeniowym stronę średniego napięcia – cyfrą 2 a dolnego
napięcia – cyfrą 3,

–

końcówki uzwojeń oznacza się odpowiednio cyframi 1 i 2 umieszczonymi na ostatnim
miejscu (po literze).

Np. strona górnego napięcia koniec nr1 – faza A: 1A1, faza B: 1B1, faza C: 1C1

strona górnego napięcia koniec nr2 – faza A: 1A2, faza B: 1B2, faza C: 1C2

strona dolnego napięcia koniec nr1 – faza A: 2A1, faza B: 2B1, faza C: 2C1

strona dolnego napięcia koniec nr2 – faza A: 2A2, faza B: 2B2, faza C: 2C2

Po stronie górnego napięcia uzwojenia transformatorów trójfazowych łączy się w gwiazdę
(oznaczenie Y – rys. 11b) lub trójkąt (oznaczenie D). Po stronie dolnego napięcia łączy się
uzwojenia w gwiazdę (oznaczenie y), trójkąt (oznaczenie d – rys. 11c) lub zygzak
(oznaczenie z – rys. 11d).

Na rys. 11a pokazano tabliczkę zaciskową transformatora trójfazowego.

Uzwojenia pierwotne transformatora trójfazowego, umieszczone na poszczególnych

kolumnach, zasilane są napięciem trójfazowym. W uzwojeniach płyną prądy przesunięte
względem siebie o 120

wytwarzając strumienie magnetyczne przesunięte względem siebie

również o 120

. Strumienie te indukują w uzwojeniach poszczególnych faz siły

elektromotoryczne przesunięte względem siebie także o 120

. W transformatorach

trójfazowych może występować magnesowanie swobodne – prąd magnesujący zawiera
wszystkie potrzebne harmoniczne, lub wymuszone – prąd magnesujący nie zawiera
wszystkich potrzebnych harmonicznych. Jeśli w transformatorze będzie zachodzić
magnesowanie swobodne, to strumień będzie sinusoidalnie zmienny, a więc indukowane siły
elektromotoryczne będą sinusoidalnie zmienne.

W przypadku zasilania trójprzewodowego z sieci nie może dopłynąć trzecia harmoniczna

prądu magnesującego ani jej wielokrotne nieparzyste. W takim przypadku przy połączeniu
uzwojeń w gwiazdę występuje magnesowanie wymuszone i otrzymujemy odkształcony
strumień magnetyczny oraz odkształconą siłę elektromotoryczną. Połączenie jednego
z uzwojeń transformatora w trójkąt umożliwia uzyskanie sinusoidalnie zmiennego strumienia,
gdyż w zamkniętym obwodzie trójkąta popłynie trzecia harmoniczna prądu i jej nieparzyste
wielokrotne.

W transformatorze trójfazowym uzwojenia fazowe strony pierwotnej muszą być tak

połączone, aby w każdej chwili suma strumieni w miejscu ich spływu była równa zeru.
Zakładając zgodny kierunek nawinięcia uzwojeń na każdej kolumnie, uzyskamy to łącząc:
a)

dla układu gwiazdowego w jeden punkt wszystkie końce oznaczone cyfrą 1 – 1A1, 1B1,
1C1 lub końce oznaczone cyfrą 2 – 1A2, 1B2, 1C2,

dla układu trójkątowego należy łączyć koniec jednej fazy oznaczony cyfrą 2 z końcem
następnej oznaczony cyfrą 1: 1A2 – 1B1, 1B2 – 1C1, 1C2 – 1A1, lub oznaczony cyfrą 1
z końcem następnej oznaczony cyfrą 2: 1A1 – 1B2, 1B1 – 1C2, 1C1 – 1A2.

1A 1B 1C

1A1 1B1

1C1

1A2

1B2

1C2

2A1

2A2

2B1

2B2

1C1

2C2

2A1

2A3

2B1

2B3

1C1

2C3

2A2

2A4

2B2

2B4

1C2

2C4

Rys. 11. a) tabliczka zaciskowa transformatora trójfazowego, b) połączenie
uzwojeń górnego napięcia w gwiazdę (Y), c) połączenie uzwojeń dolnego
napięcia w trójkąt (d), d) połączenie uzwojeń dolnego napięcia w zygzak (z)

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Konfigurację, w jaką zostały skojarzone uzwojenia fazowe górnego napięcia i dolnego

napięcia, nazywamy układem połączeń. Symbol układu połączeń uzwojeń transformatora
tworzy się podając kolejno symbol literowy uzwojenia górnego napięcia, symbol literowy
uzwojenia dolnego napięcia oraz liczbę określającą kąt godzinowy między wskazami górnego
i dolnego napięcia (PN-83/E 06040), np. Yd11, Dy5, Yz5. W transformatorach trójfazowych
otrzymujemy kombinacje połączeń uzwojeń górnego i dolnego: Yy, Yd, Yz, Dy, Dd i Dz.

Rys. 12. Schematy układów połączeń transformatorów trójfazowych: a) układ Yy0, b) układ Dd0, c) układ Yz11

Kąt godzinowy jest to, wyrażony w godzinach kąt przesunięcia fazowego między

jednoimiennymi wektorami napięć międzyfazowych strony górnego napięcia i dolnego
napięcia, mierzony od napięcia górnego do dolnego w kierunku ruchu wskazówek zegara,
przy czym 1h = 30

. Przesunięcie godzinowe można również ustalić biorąc pod uwagę

napięcia fazowe, a w przypadku połączenia w trójkąt odnosimy do sztucznego punktu
neutralnego. W zależności od sposobu połączenia uzwojeń górnego i dolnego napięcia
uzyskuje się różne kąty godzinowe. W kombinacjach połączeń Dy, Yd i Yz kąt godzinowy
będzie zawsze wyrażony liczbą nieparzystą od 1 do 11, natomiast w układach Dd, Dz i Yy
liczbą parzystą od 0 do 10. Polska norma PN-83/E 06040 zaleca stosowanie układów
połączeń: Yy0 (rys.12a), Dy5, Yd5, Yz5, Dy11, Yd11, Yz11 (rys.12c).

W układach z przesunięciem 5h stosuje się w praktyce przeciwne nawinięcie uzwojeń

strony górnego i dolnego napięcia, aby podłączenia do izolatorów nie prowadzić a końcówki
znajdującej się na dole kadzi.

Zastosowanie transformatorów:

energetycznych: w sieciach elektroenergetycznych – transformowanie napięć,
podwyższanie napięcia na początku linii energetycznej w celu ograniczenia strat mocy
w linii i dopasowanie napięcia do wymagań odbiorników na końcu linii przesyłowej,

małej mocy – filtry składowej stałej, dopasowanie impedancji elementów obwodu w celu
uzyskania optymalnych warunków, separacja obwodów elektrycznych i elektronicznych
oraz dopasowanie napięcia sieciowego do wymagań odbiornika w urządzeniach
elektrycznych i elektronicznych, w automatyce, teletechnice i łączności,

pomiarowych – przekładniki napięciowe i prądowe stosowane w układach pomiarowych
w celu separacji obwodów kontrolno-pomiarowych w sieciach wysokiego napięcia,
a przekładniki prądowe również w sieciach niskiego napięcia o bardzo dużym natężeniu
prądu,

1A 1B 1C

1A1 1B1

1C1

1A2

1B2 1C2

2A1 2B1

2C1

2A2 2B2

2C2

1A 1B 1C

1A1

1A2

1B1

1B2

1C1

1C2

2A1

2A2

2B1

2B2

1C1

2C2

1A 1B 1C

1A1

1A2

1B1

1B2

1C1

1C2

2A1

2A3

2B1

2B3

1C1

2C3

2A2

2A4

2B2

2B4

1C2

2C4

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

spawalniczych – w spawarkach elektrycznych,

bezpieczeństwa – w warunkach zagrożenia porażeniem prądem elektrycznym, urządzenia
zasilane są napięciem o obniżonej wartości z transformatora o wzmocnionej izolacji
uzwojeń pierwotnego i wtórnego,

prostownikowych i falownikowych – zasilacze sieciowe, układy napędowe prądu stałego
i przemiennego.

4.2.2.

Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

Jakie są zasadnicze różnice w budowie transformatorów i maszyn wirujących?

Jakie elementy budowy ma transformator i z jakiego materiału są one wykonane?

Jaka jest różnica pomiędzy sposobem przetwarzania energii w transformatorze i silniku?

Jakie zjawisko wykorzystano w zasadzie działania transformatorów?

Jak działa transformator?

W jakich stanach pracy może pracować transformator i jak je można scharakteryzować?

Jakie parametry podawane są na tabliczce znamionowej transformatora i jak są
interpretowane?

Jak można łączyć uzwojenia w transformatorze trójfazowym?

Jakie są przyczyny powstawania strat mocy w transformatorach?

4.2.3.

Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

W pojemniku znajdują się elementy budowy maszyn elektrycznych. Wybierz elementy

budowy transformatorów, określ materiał, z jakiego są wykonane i ich rolę.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

wybrać z pojemnika elementy budowy transformatora,

pogrupować elementy według funkcji pełnionej w transformatorze,

określić rodzaj materiału dla elementów obwodu magnetycznego i elektrycznego,

na podstawie przekroju przewodu określić, które z uzwojeń jest uzwojeniem górnego
a które dolnego napięcia,

z wybranych elementów złożyć transformator.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

pojemnik z elementami budowy maszyn elektrycznych: blachy transformatorowe, blachy
wirników i stojanów maszyn elektrycznych, rdzeń transformatora (pakiety z kształtek
E – I), cewki uzwojeń transformatorów, stojany i wirniki maszyn wirujących, szczotki,
izolatory górnego i dolnego napięcia, model konserwatora, przekaźnik gazowo-
przepływowy, kondensator, statecznik i zapłonnik,

−

model transformatora olejowego,

−

tablica poglądowa z kształtkami blach transformatorowych.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 2

Odczytaj i zdefiniuj parametry umieszczone na tabliczce znamionowej transformatora

przedstawionej na rysunku.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

odczytać wartości: napięcia dolnego i

górnego, napięcia zwarcia, prądów, mocy

znamionowej, strat mocy,

zdefiniować znaczenie odczytanych parametrów, np. napięcie znamionowe jest to
wartość skuteczna napięcia międzyfazowego,

odczytać grupę połączeń, rodzaj pracy i stopień ochrony i zinterpretować znaczenie
odczytanych parametrów, np. uzwojenie górnego napięcia połączone w ........, dolnego
w ......., a przesunięcie fazowe między odpowiednimi napięciami strony GN i DN wynosi
............. .

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

tabliczki znamionowe transformatorów lub rysunki tabliczek znamionowych,

–

katalogi transformatorów,

–

normy PN-83/E-06040 – Transformatory. Ogólne wymagania i badania.

Ćwiczenie 3

Transformator sieciowy o liczbie zwojów uzwojenia pierwotnego 1100 ma obniżyć

napięcie z 230

V na 12

V. Oblicz, ile zwojów powinno mieć uzwojenie wtórne

transformatora.

Sposób wykonania ćwiczenia.

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

wypisać wielkości dane i szukane,

zapisać wzór definicyjny przekładni napięciowej i wzór na przekładnię zwojową,

przyjmując, że przekładnie są sobie równe, przyrównać prawe strony równań,

przekształcić wzór, wyznaczając liczbę zwojów uzwojenia wtórnego,

podstawić wartości liczbowe,

wykonać działania, obliczając liczbę zwojów i udzielić odpowiedzi.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

kalkulator,

−

arkusze papieru format A4.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2.4. Sprawdzian postępów

Czy

potrafisz:

Tak Nie

1) odczytać z tabliczki znamionowej i zdefiniować podstawowe

parametry znamionowe transformatorów?



2) obliczyć podstawowe parametry transformatora korzystając

z zależności między nimi?



3) wymienić zasadnicze różnice w budowie transformatorów i maszyn

wirujących?



4) wymienić elementy budowy transformatora i określić rodzaj

materiału, z jakiego są wykonane?



5) określić różnicę pomiędzy sposobem przetwarzania energii

w transformatorze i silniku?



6) zdefiniować zjawisko wykorzystane w zasadzie działania

transformatorów?



7) zanalizować działanie transformatora?



8) wymienić stany pracy transformatora i je scharakteryzować?



9) wyjaśnić przyczyny powstawania strat mocy w transformatorach?



10) rozpoznać elementy konstrukcyjne transformatorów?



11) dobrać transformator do określonego zadania na podstawie danych

zamieszczonych w katalogach?



12) przeanalizować właściwości ruchowe transformatora na podstawie

charakterystyk?



13) rozpoznać rodzaj transformatora na podstawie wyglądu

zewnętrznego i tabliczki znamionowej?



„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3.

Budowa, zasada działania i zastosowanie silników
indukcyjnych

4.3.1.

Materiał nauczania

Budowa silników indukcyjnych

Silniki trójfazowe

Część nieruchoma – stojan (stator) ma kształt wydrążonego walca. Obwód magnetyczny

stojana – rdzeń wykonany z pakietu blach żelazo-krzemowych zwanych prądnicowymi.
Na wewnętrznej części, na całej długości rdzenia, wykonane są rowki o specjalnym kształcie,
zwane żłobkami. W żłobkach umieszczone jest trójfazowe uzwojenie wykonane
z izolowanego drutu nawojowego (z miedzi miękkiej). Uzwojenie jest dodatkowo
impregnowane i mocno usztywnione, by nie uległo uszkodzeniu na skutek drgań maszyny.

Część wirująca – wirnik (rotor) ma kształt walca. Obwód magnetyczny jest wykonany

z blach prądnicowych. Na zewnętrznej części całej długości rdzenia wykonane są żłobki.
W żłobkach umieszczone są uzwojenia wirnika. Występują dwa typy silników:
–

Klatkowe (zwarte) – uzwojenie ma kształt nieizolowanych prętów połączonych ze sobą
po obu stronach pierścieniami zwierającymi. Pręty są najczęściej odlewane z aluminium
łącznie z pierścieniami zwierającymi i łopatkami wentylatora. Silniki specjalnej
konstrukcji (głębokożłobkowe i dwuklatkowe) posiadają pręty wykonane z metali
kolorowych – mosiądz, brąz, miedź – przyspawane do pierścieni zwierających. Są też
takie konstrukcje, gdzie pręty są umieszczane w kilku warstwach i tworzą z własnymi
pierścieniami zwierającymi kilka oddzielnych obwodów elektrycznych.

–

Pierścieniowe – uzwojenie trójfazowe jest wykonane z miedzi, podobnie jak uzwojenie
stojana. Jedne końce uzwojeń połączone są we wspólny punkt (skojarzenie w gwiazdę)
a drugie podłączone do pierścieni ślizgowych umieszczonych na wale wirnika. Podczas
pracy maszyny pierścieniowej po pierścieniach ślizgowych ślizgają się szczotki
umieszczone w szczotkotrzymaczach przymocowanych do obudowy (korpusu) stojana.

Obudowa – wykonana ze staliwa lub żeliwa, użebrowana w celu zwiększenia powierzchni
chłodzącej, stanowi ochronę maszyny przed szkodliwymi działaniami środowiska oraz
zabezpieczenie przed dotykiem i dostępem do części wirujących i będących pod napięciem,
wydostaniem się na zewnątrz ognia, jeśli taki powstanie wewnątrz maszyny.
Tabliczka znamionowa – zawiera parametry znamionowe maszyny.
Tabliczka zaciskowa (rys.13.) – z jednej strony podłączone są uzwojenia maszyny,
a z zewnętrznej strony do uzwojenia stojana podłącza się napięcie zasilające.

Rys. 13. Tabliczka zaciskowa silnika trójfazowego: a) z oznaczeniem początków i końców uzwojeń,
b) uzwojenie stojana połączone w trójkąt, c) uzwojenie stojana połączone w gwiazdę

W silnikach pierścieniowych do tabliczki zaciskowej z wyprowadzeniami szczotek

podłącza się dodatkowe elementy (rezystory rozruchowe lub regulacyjne, napięcie
dodatkowe).

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Silniki jednofazowe

Silnikami indukcyjnymi jednofazowymi nazywa się silniki indukcyjne z wirnikiem

jednoklatkowym zasilane z sieci jednofazowej niskiego napięcia i przeznaczone do
napędzania mechanizmów i urządzeń o nienastawianej prędkości wirowania.
Można wyróżnić dwie odmiany konstrukcyjne silników jednofazowych:
–

Z biegunami jawnymi – uzwojenie główne skupione, nawinięte na rdzeniu biegunów
głównych, zasilane jest z sieci. Uzwojenie pomocnicze ma jeden lub dwa zwarte zwoje
umieszczone na części dzielonego rdzenia bieguna.

–

Z uzwojeniem dwufazowym rozłożonym w żłobkach, gdzie uzwojenie główne zajmuje
2/3 żłobków, a uzwojenie pomocnicze 1/3 żłobków stojana. Osie uzwojeń przesunięte są
o 90

elektrycznych. Oba uzwojenia zasilane są tym samym napięciem jednofazowym.

Wyróżnić tu można:

uzwojenie pomocnicze o powiększonej rezystancji (najczęściej wykonane cieńszym
drutem), załączane tylko na czas rozruchu,

uzwojenie pomocnicze z kondensatorem, które może:

być załączane na czas rozruchu – z kondensatorem rozruchowym,

pracować z uzwojeniem głównym – z kondensatorem pracy – silnik
z kondensatorową fazą pomocniczą.

Silniki dwufazowe

W stojanie umieszczone są dwa uzwojenia przesunięte względem siebie o kąt elektryczny

. W zależności od budowy wirnika silniki możemy podzielić na:

–

jednoklatkowe – klatka wykonana jest z brązu lub mosiądzu, których duża rezystywność
pozwala na uzyskanie charakterystyki liniowej i samohamowności,

–

niemagnetyczne kubkowe – wirnik z materiału niemagnetycznego (aluminium)
w kształcie kubka. Stojan jest wykonany z pakietu blach przedzielonych szczeliną
powietrzną, w której wiruje cienkościenny wirnik,

–

ferromagnetyczne kubkowe lub lite.

Zasada działania

silniki trójfazowe

Znaczna większość maszyn indukcyjnych to maszyny trójfazowe. W działanie silników
indukcyjnych wykorzystano dwa zjawiska:
!

zjawisko indukcji elektromagnetycznej, w wyniku którego pojawia się napięcie
w uzwojeniu wirnika,

zjawisko elektrodynamiczne, w wyniku którego wirnik zostaje wprawiony w ruch.
W trójfazowym uzwojeniu stojana płynie prąd I

o częstotliwości f

, który wytwarza

przepływ

⋅

Przepływ

wznieca pole magnetyczne wirujące z prędkością:

obrotów na minutę lub

obrotów na sekundę,

której odpowiada prędkość kątowa odpowiednio:

lub

2 n

Pole to indukuje w uzwojeniu stojana siłę elektromotoryczną indukcji własnej

= 4,44f

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

i w uzwojeniu nieruchomego wirnika siłę elektromotoryczną indukcji wzajemnej

= 4,44f

gdzie: k

i k

– współczynniki uzwojenia odpowiednio stojana i wirnika uwzględniające

fakt, że uzwojenie jest rozłożone w żłobkach i siła elektromotoryczna fazy jest sumą
geometryczną sił elektromotorycznych indukowanych w poszczególnych zwojach.

Pod wpływem indukowanej siły elektromotorycznej E

w zamkniętym obwodzie wirnika

płynie prąd I

. W wyniku oddziaływania pola magnetycznego stojana na uzwojenie wirnika,

którym płynie prąd, powstaje moment elektromagnetyczny M. Jeżeli moment

elektromagnetyczny będzie większy od momentu hamującego M

(suma momentu M

obc

obciążenia i momentu strat jałowych M

)

M > M

to wirnik zostanie wprawiony w ruch i będzie wirował w kierunku zgodnym z kierunkiem
wirowania pola stojana.
Prędkość wirnika n jest mniejsza od prędkości pola wirującego, zwanej prędkością
synchroniczną n

n < n

Przy prędkości synchronicznej nie wystąpi zjawisko indukcji elektromagnetycznej i nie
będzie płynął prąd w uzwojeniu wirnika, a więc nie powstanie moment napędowy i wirnik
będzie musiał zmniejszyć prędkość.
Wniosek: maszyna indukcyjna wytwarza moment elektromagnetyczny przy wszystkich
prędkościach wirnika z wyjątkiem prędkości synchronicznej.

Ze wzrostem momentu obciążenia M

obc

prędkość wirnika maleje, rośnie różnica prędkości

wirnika i prędkości synchronicznej, rośnie wartość E

i rośnie natężenie prądu wirnika, dzięki

czemu rośnie moment elektromagnetyczny do wartości niezbędnej, aby pokonać zwiększony
moment obciążenia.

obc

↑

⇒ n

↓

⇒f

↑

⇒ E

↑

⇒ I

↑

⇒ M

↑

Wniosek: silnik indukcyjny samoczynnie przystosowuje się do zmian obciążenia.
Stosunek prędkości pola stojana n

względem wirnika wirującego z prędkością n do prędkości

synchronicznej nazywamy poślizgiem s, co możemy zapisać:

−

Poślizg możemy również zdefiniować jako stosunek częstotliwości napięcia indukowanego
w wirniku f

do częstotliwości napięcia zasilającego (napięcia stojana) f

⇒

⋅

Poślizg przy nieruchomym wirniku (

n = 0):

−

Poślizg przy obciążeniu znamionowym:

−

Poślizg przy prędkości synchronicznej (

n = n

−

Wniosek: prędkość wirowania wirnika jest tym większa, im mniejszy jest poślizg

n = n

(1 –

s).

W wirującym wirniku indukuje się siła elektromotoryczna

o częstotliwości

= 4,44

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Pola magnetyczne wytworzone przez przepływ stojana i wirnika są względem siebie
nieruchome przy każdej prędkości wirnika.

Silniki jednofazowe

Aby powstał moment rozruchowy w silniku indukcyjnym, magneśnica musi wytworzyć pole
magnetyczne wirujące. Takie pole mogą wytworzyć przepływy co najmniej dwóch uzwojeń
przesuniętych względem siebie w przestrzeni, przez które płyną prądy przesunięte w fazie.
–

Silniki z biegunami jawnymi – uzwojenie główne zasilane jest z sieci, a uzwojenie
pomocnicze ma jeden lub dwa zwarte zwoje umieszczone na części dzielonego rdzenia
bieguna. Podczas przepływu prądu w uzwojeniu głównym powstaje pole wirujące
eliptyczne.

–

Silniki z uzwojeniem dwufazowym rozłożonym w żłobkach – osie uzwojeń przesunięte
są o 90

elektrycznych, oba uzwojenia zasilane są tym samym napięciem jednofazowym,

przy czym w obwód uzwojenia pomocniczego włączony jest dodatkowo element (cewka,
rezystor lub kondensator) powodujący przesunięcie fazowe między prądami uzwojeń.
Podczas przepływu prądu w uzwojeniach powstaje pole magnetyczne wirujące. Przy
odpowiednim doborze pojemności kondensatora można uzyskać pole wirujące kołowe.

Silniki dwufazowe

Uzwojenie zasilane bezpośrednio z sieci napięciem

w sposób ciągły to uzwojenie

wzbudzenia. Uzwojenie, którego napięcie zasilające

jest celowo zmieniane nazywamy

uzwojeniem sterującym

Rys. 14. Schemat silnika dwufazowego

Pole wirujące powstaje w przypadku przepływu w uzwojeniach prądów przesuniętych
względem siebie o pewien kąt. Nastawianie prędkości wirowania wirnika odbywa się przez:
–

zmianę amplitudy napięcia sterującego – sterowanie amplitudowe,

–

zmianę kąta przesunięcia między napięciem wzbudzenia i sterującym – sterowanie
fazowe,

–

włączenie kondensatora w obwód wzbudzenia przy zasilaniu obu uzwojeń z tego samego
źródła – sterowanie amplitudowo-fazowe.

Właściwości ruchowe silników indukcyjnych

Momentem obrotowym silnika jest moment elektromagnetyczny, który jest określony

stosunkiem mocy pola wirującego do prędkości pola wirującego

⋅

Po sprowadzeniu parametrów obwodu wirnika na stronę uzwojenia stojana (parametry
sprowadzone są oznaczone znakiem „prim” np.:

R ,

X ) i przyjęciu uproszczeń otrzymujemy

wzór na moment elektromagnetyczny

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

(

)













⋅

Wartość momentu elektromagnetycznego zależy od wartości napięcia zasilającego,
rezystancji obwodu wirnika oraz od częstotliwości napięcia zasilającego (

= 2

X = 2

)

Z powyższej zależności wynika, że funkcja opisująca zależność momentu
elektromagnetycznego od poślizgu

M = f(s) ma dwa ekstrema. Maksymalną wartość

momentu nazywa się momentem krytycznym

lub momentem utyku

(

)

⋅

Rys. 15. Wykres zależności: a)

= f(

) oraz b)

=f(

) dla silnika indukcyjnego

Na wartość momentu krytycznego ma wpływ wartość napięcia zasilającego (rys.16a) oraz
jego częstotliwość (rys.16b), natomiast nie ma wpływu rezystancja obwodu wirnika (rys.17).

Rys. 16. Wykresy zależności dla silnika indukcyjnego: a)

= f(

) dla dwóch różnych wartości napięcia

zasilającego

= f(

) dla dwóch różnych wartości częstotliwości

dla

= const

Rys. 17. Wykres zależności

= f(

) dla silnika indukcyjnego, dla różnych wartości rezystancji obwodu

wirnika.[1]

M

M

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wartość poślizgu, przy którym silnik wytwarza największy moment elektromagnetyczny
nazywa się poślizgiem krytycznym

lub utyku

Wartość poślizgu krytycznego zależy wprost proporcjonalnie od wartości rezystancji obwodu
wirnika, a nie zależy od napięcia zasilającego.

Stosunek momentu maksymalnego do momentu znamionowego nazywa się przeciążalnością
i oznacza

u lub p

Zalety silników klatkowych:
–

prosta konstrukcja,

–

łatwe i tanie w eksploatacji.

Wady silników klatkowych:
–

przy stałej wartości poślizgu możemy uprościć wzór na moment elektromagnetyczny do
postaci

, z czego wynika, że moment elektromagnetyczny zależy od kwadratu

napięcia zasilającego – niewielkie spadki napięcia w sieci powodują znaczne
zmniejszenie momentu napędowego silnika,

–

mały moment rozruchowy,

–

początkowy prąd rozruchowy przy rozruchu bezpośrednim wynosi (4

10)

Zalety silników pierścieniowych:
–

przy odpowiednim doborze rezystancji włączonej do obwodu wirnika możemy uzyskać
największy moment elektromagnetyczny dla prędkości wirnika równej zeru

n = 0

→

s = 1 i

(

)

co pozwala uruchamiać silniki pierścieniowe przy obciążeniu znamionowym.

Zalety silników dwufazowych:
–

jednoklatkowych: małe wymiary, mała szczelina powietrzna i mała wartość prądu
magnesującego, duża rezystywność klatki wykonanej z brązu lub mosiądzu pozwalająca
na uzyskanie charakterystyki liniowej i samohamowności; (wada – duży moment
bezwładności wirnika).

–

niemagnetycznych kubkowych: mały moment bezwładności, cichobieżność, maszyna
bezstykowa, więc nie emituje zakłóceń radioelektrycznych.

Zastosowanie:

silników trójfazowych

–

klatkowych: w układach napędowych prądu przemiennego – rozwój energoelektroniki
sprawia, że wypierają w układach napędowych stopniowo silniki prądu stałego a także
pierścieniowe,

–

pierścieniowych: w napędach prądu przemiennego wymagających uruchamiania pod
obciążeniem (napędy taśmociągów w kopalniach odkrywkowych, wentylatorów
przemysłowych) – rezystory rozruchowe i regulacyjne zastępowane są układami
energoelektronicznymi, w specjalnych wykonaniach jako przesuwniki fazowe
(w laboratoriach), regulatory indukcyjne (transformatory obrotowe), przetwornice
częstotliwości, sprzęgła indukcyjne (łączenie silnika z maszyną roboczą),

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

–

łączy selsynowych: synchronizacja położeń wirników różnych silników, zdalnego
ustawiania obiektów w określonym położeniu (naprowadzanie na cel w wojskowości),

silników jednofazowych:

–

z biegunami jawnymi, z uzwojeniem pomocniczym zwartym: sprzęt foniczny,
wentylatory pokojowe, suszarki do włosów,

–

z uzwojeniem dwufazowym: pralki automatyczne, szlifierki stołowe,

silników dwufazowych:

–

w układach automatycznej regulacji przy nastawianiu prędkości.

4.3.2.

Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

Jakie zjawiska wykorzystano w zasadzie działania silnika indukcyjnego?

Jaka jest różnica pomiędzy budową silnika pierścieniowego i klatkowego?

Jak działa silnik indukcyjny?

Do czego służą pierścienie ślizgowe w silnikach pierścieniowych?

Jaka zależność łączy ze sobą moc i moment, a jaka napięcie, natężenie prądu i moc
silnika indukcyjnego?

Co to jest poślizg i z jakich zależności można go obliczyć?

Jaki przebieg ma charakterystyka momentu w funkcji poślizgu i w funkcji prędkości
obrotowej silnika?

Jakie wielkości mają wpływ na moment elektromagnetyczny maszyny indukcyjnej?

4.3.3.

Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Omów budowę uzwojeń maszyn indukcyjnych na podstawie modeli znajdujących się

w pracowni.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

przyjrzeć się uważnie modelom maszyn indukcyjnych, zwracając szczególną uwagę na
sposób wykonania uzwojeń i rodzaj materiałów z jakich są wykonane,

przypomnieć sobie wiadomości z wprowadzenia do tematu i z zakresu
materiałoznawstwa elektrycznego,

odpowiedzieć na pytania:
–

Z jakich materiałów wykonuje się uzwojenia stojanów maszyn indukcyjnych?

–

Z jakich materiałów wykonuje się uzwojenia wirników maszyn klatkowych?

–

Z jakich materiałów wykonuje się uzwojenia wirników maszyn pierścieniowych?

–

W jakie konfiguracje łączy się uzwojenia maszyn trójfazowych?

wybrać model odpowiedni do tematu ćwiczenia i zidentyfikować uzwojenia,

przygotować prezentację i omówić budowę uzwojeń.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

modele maszyn indukcyjnych klatkowych,

−

modele maszyn indukcyjnych pierścieniowych,

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

modele uzwojeń maszyn indukcyjnych lub schematy rozwinięte uzwojeń,

−

katalogi maszyn indukcyjnych.

Ćwiczenie 2

Omów budowę obwodu magnetycznego maszyn indukcyjnych na podstawie modeli

znajdujących się w pracowni.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

przyjrzeć się uważnie modelom maszyn indukcyjnych, zwracając szczególną uwagę
na sposób wykonania rdzeni i rodzaj materiałów, z jakich są wykonane,

przypomnieć sobie wiadomości z wprowadzenia do tematu oraz z zakresu
materiałoznawstwa elektrycznego,

odpowiedzieć na pytania:

–

Z jakich materiałów wykonuje się obwody magnetyczne maszyn indukcyjnych?

–

Jak wykonane są obwody magnetyczne maszyn indukcyjnych?

wybrać model odpowiedni do tematu ćwiczenia i zidentyfikować obwody magnetyczne,

przygotować prezentację i omówić budowę obwodów magnetycznych.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

modele maszyn indukcyjnych klatkowych,

−

modele maszyn indukcyjnych pierścieniowych,

−

arkusze papieru i mazaki,

−

katalogi maszyn indukcyjnych.

4.3.4.

Sprawdzian postępów

Czy

potrafisz:

Tak Nie

1) wymienić i zdefiniować zjawiska wykorzystane w zasadzie działania

silnika indukcyjnego?



2) opisać budowę uzwojeń maszyn indukcyjnych?



3) omówić budowę obwodu magnetycznego maszyn indukcyjnych?



4) wymienić różnice pomiędzy budową silnika pierścieniowego

i klatkowego?



5) wyjaśnić zasadę działania silnika indukcyjnego?



6) wyjaśnić, do czego służą pierścienie ślizgowe w silnikach

pierścieniowych?



7) zapisać zależności łączące ze sobą moc i moment oraz napięcie,

natężenie prądu i moc silnika indukcyjnego?



8) wyjaśnić, co to jest poślizg i podać jak można go obliczyć?



9) narysować przebieg charakterystyki momentu w funkcji poślizgu

i w funkcji prędkości obrotowej silnika?



10) wymienić wielkości mające wpływ na moment elektromagnetyczny

maszyny indukcyjnej?



„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4.

Budowa, zasada działania i zastosowanie maszyn
synchronicznych

4.4.1.

Materiał nauczania

Budowa maszyn synchronicznych

Maszyna synchroniczna to maszyna prądu przemiennego, której wirnik w stanie

ustalonym wiruje z taką samą prędkością, z jaką wiruje pole magnetyczne.

⋅

⇒

lub

⋅

Rdzeń stojana wykonany jest z blach o grubości 0,35

0,5 mm, łączonych w pakiety

o grubości 4

5 cm. Rdzeń jest osadzony w korpusie wykonanym jako odlew lub konstrukcja

spawana. W żłobkach rdzenia umieszczone jest uzwojenie prądu przemiennego jedno- lub
trójfazowe. Stojan maszyny synchronicznej jest wykonany bardzo podobnie do stojana
maszyny indukcyjnej.

W budowie wirnika spotyka się dwa rozwiązania konstrukcyjne:

–

wirnik z biegunami utajonymi –

wykonany z odkuwki, łącznie z wałem,

z wysokowytrzymałościowej stali magnetycznej. Uzwojenie wzbudzenia umieszczone
jest w żłobkach wyfrezowanych w rdzeniu. Żłobki zajmują 2/3 obwodu wirnika i są
zaklinowane klinami z metali niemagnetycznych. Część nieużłobkowana czyli tzw. duży
ząb tworzy biegun magnetyczny. Odprowadzenia ciepła z uzwojeń wirnika umożliwiają
promieniowe lub osiowe otwory wentylacyjne. Maszyny z biegunami utajonymi
posiadają jedną parę biegunów:

p = 1.

–

wirnik z biegunami jawnymi – nabiegunniki, a czasami całe bieguny wykonane są
z blach o grubości 1 mm. Na rdzeniu biegunów umieszczone jest uzwojenie wzbudzenia
skupione. W zewnętrznej części nabiegunników często umieszcza się pręty zwarte na obu
końcach przez odpowiednie pierścienie, tworząc klatkę tłumiącą lub rozruchową.
Maszyny z biegunami jawnymi konstruowane są o co najmniej dwóch parach biegunów:
p

≥

Na wale wirnika umieszczone są pierścienie ślizgowe do których podłączone są końce
uzwojeń wzbudzenia. Po pierścieniach

ślizgają się

szczotki

umieszczone

w szczotkotrzymaczach przymocowanych do korpusu.

Zasada działania

Strumień magnetyczny w maszynie synchronicznej może być wytworzony przez magnes

trwały lub elektromagnes zasilany ze źródła napięcia stałego zwanego wzbudnicą. Wzbudnicą
może być: prądnica bocznikowa prądu stałego, trójfazowa prądnica synchroniczna
o zwiększonej częstotliwości z prostownikiem elektronicznym, wzbudnica półprzewodnikowa
zasilana z sieci trójfazowej prądu przemiennego, bateria akumulatorów. Przy wzbudzeniu
elektromagnetycznym uzwojenie może być skupione (wirnik z biegunami jawnymi) lub
rozłożone w żłobkach (wirnik cylindryczny, bieguny utajone). W stojanie umieszczone jest
uzwojenie prądu przemiennego najczęściej trójfazowe, rzadziej jednofazowe.

Na wybór sposobu analizy zjawisk i właściwości ruchowych maszyn synchronicznych

mają wpływ:
1)

budowa wirnika,

stan nasycenia obwodu magnetycznego.

Najogólniejszym i jednocześnie najtrudniejszym przypadkiem do analizy jest maszyna
jawnobiegunowa nasycona o różnych przewodnościach magnetycznych w osi podłużnej

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

i poprzecznej. Najprostszą do analizy jest maszyna nienasycona, o liniowej charakterystyce
magnesowania, z wirnikiem cylindrycznym.

Bieg jałowy prądnicy synchronicznej

Stan jałowy prądnicy synchronicznej to taki stan pracy, w którym uzwojenie stojana jest

otwarte, a uzwojenie wirującego wirnika jest zasilane ze źródła wzbudzenia. Prąd stały
płynący w uzwojeniu wzbudzenia umieszczonym na wirniku wytwarza przepływ

, który

jest źródłem strumienia wzbudzenia

. Wprawiając wirnik w ruch wytwarzamy wirujące

pole magnetyczne. Wirujące pole elektromagnetyczne indukuje w tworniku siłę
elektromotoryczną

= 4,44

Rys. 18. a) Charakterystyka magnesowania

= f(

) i biegu jałowego

= f (

), b) graficzne przedstawienie

zasady działania prądnicy synchronicznej

(

– strumień rozproszenia wzbudzenia,

– strumień

główny wzbudzenia)

W stanie jałowym napięcie na zaciskach prądnicy jest równe sile elektromotorycznej
indukowanej przez przepływ wzbudzenia.

2.

Obciążenie maszyny z wirnikiem cylindrycznym
W obciążonej maszynie występuje zjawisko oddziaływania twornika i w szczelinie

powietrznej występuje strumień magnetyczny wypadkowy.
W maszynie nienasyconej (

= const) strumień wypadkowy jest sumą geometryczną

strumienia wzbudzenia

i strumienia oddziaływania twornika

(

) i do

analizy można zastosować zasadę superpozycji strumieni.

Rys. 19. a) Graficzne przedstawienie zasady działania prądnicy synchronicznej obciążonej, b) schemat zastępczy
maszyny synchronicznej cylindrycznej nienasyconej

Na rys. 19b przedstawiono schemat zastępczy maszyny nienasyconej, na którym przyjęto
oznaczenia:
E

– siła elektromotoryczna indukowana w tworniku przez strumień wzbudzenia

– reaktancja podłużna oddziaływania twornika odpowiadająca strumieniowi

, który

indukuje w uzwojeniu twornika siłę elektromotoryczną

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

– reaktancja rozproszenia twornika, odpowiadająca strumieniowi rozproszenia twornika

, który indukuje w uzwojenia twornika siłę elektromotoryczną

– rezystancja uzwojenie twornika.

– reaktancja synchroniczna podłużna

– reaktancja synchroniczna poprzeczna

Dla maszyny z wirnikiem cylindrycznym

, natomiast w maszynie jawnobiegunowej

≠

Na podstawie schematu zastępczego (rys. 19b) II prawo Kirchhoffa dla obwodu twornika
przyjmuje postać

U = E

–

W maszynie nasyconej, aby wyznaczyć strumień wypadkowy należy wyznaczyć przepływ
wypadkowy

jako sumę geometryczną przepływu wzbudzenia

przepływu

oddziaływania podłużnego twornika

(

). O stanie nasycenia decyduje

strumień główny

, który indukuje w uzwojeniu wirnika siłę elektromotoryczną

Rys.20. a) Graficzne przedstawienie zasady działania prądnicy synchronicznej obciążonej, b) schemat zastępczy
maszyny synchronicznej cylindrycznej nasyconej

Na podstawie schematu zastępczego (rys. 20b) II prawo Kirchhoffa dla obwodu twornika
przyjmuje postać

U = E

–

Analizę pracy maszyny nienasyconej można przeprowadzić analitycznie lub graficznie na
podstawie schematu zastępczego i wykresu wektorowego. Do analizy pracy maszyny
nasyconej niezbędna jest znajomość charakterystyki biegu jałowego i graficzne wyznaczenie
przepływu wypadkowego.

3.

Zwarcie prądnicy synchronicznej
W stanie zwarcia prądnicy w uzwojeniu wzbudzenia płynie prąd, a zaciski napędzanej

maszyny są zwarte.
Przy znamionowym prądzie twornika w stanie zwarcia (zwarcie pomiarowe) wartość siły
elektromotorycznej indukowanej w tworniku nie przekracza (10

15)%

. Podczas próby

zwarcia pomiarowego wyznacza się charakterystykę zwarcia, która przedstawia zależność
prądu twornika od prądu wzbudzenia przy zwartych zaciskach obwodu twornika (rys. 21a).

Rys.

21.

a) Charakterystyka zwarcia, b) sposób wyznaczania stosunku zwarcia

n = const

= f(I

)

= f(I

)

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Z charakterystyki zwarcia:

= f(

) i charakterystyki biegu jałowego:

= f(

) (rys. 21b)

wyznacza się tzw. stosunek zwarcia

– prąd wzbudzenia, przy którym na biegu jałowym indukuje się siła elektromotoryczna

równa napięciu znamionowemu,

– prąd wzbudzenia, przy którym w stanie zwarcia płynie znamionowy prąd twornika.

Słuszna jest również zależność:

gdzie:

– prąd zwarcia występujący przy prądzie wzbudzenia

Współczynnik zwarcia charakteryzuje podstawowe właściwości maszyny synchronicznej
i zawiera się w granicach od 0,5 do 1,5.

Praca indywidualna (samotna) prądnicy synchronicznej
Podczas pracy indywidualnej prądnica jest bezpośrednio obciążona odbiornikiem, który

decyduje o wartości i charakterze prądu twornika.
Charakter obciążenia ma wpływ na zachowanie się maszyny. Częstotliwość napięcia prądnicy
zależy od prędkości obrotowej maszyny napędzającej, natomiast wartość napięcia zależy od
prędkości obrotowej i wartości prądu wzbudzenia.
Aby utrzymać stałą prędkość obrotową, co zapewnia stałą częstotliwość napięcia sieci,
prądnicę wyposaża się w regulatory prędkości. Do utrzymania stałej wartości napięcia
stosowane są regulatory napięcia regulujące odpowiednio prąd wzbudzenia.

Charakterystyka zewnętrzna prądnicy (rys. 22) przedstawia zależność napięcia na

zaciskach prądnicy od prądu obciążenia

U = f(I) przy stałych wartościach: prądu wzbudzenia

= const, cos

= const oraz prędkości wirnika

n = const.

Rys. 22. Charakterystyki zewnętrzne prądnicy a) przy jednakowym napięciu na biegu jałowym i różnych
charakterach obciążenia, b) przy różnych prądach wzbudzenia

Wnioski wynikające z analizy charakterystyk zewnętrznych:

Zależność napięcia na zaciskach prądnicy od prądu obciążenia jest zależnością
nieliniową, ze względu na rezystancję i reaktancję rozproszenia twornika. Przy zmianie
charakteru obciążenia zmienia się napięcie wyjściowe prądnicy.

cos

= 0

cos

= 1

cos

= 0

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Obciążenie rezystancyjne – obciążenie czynne związane jest z przesunięciem o kąt

osi

przepływu wypadkowego

względem osi przepływu wzbudzenia

, co w rezultacie

powoduje zmniejszenie napięcia na zaciskach prądnicy.

Obciążenie pojemnościowe – przepływ twornika wzmacnia przepływ wzbudzenia, co
powoduje wzrost napięcia prądnicy.

Obciążenie indukcyjne – osłabiające oddziaływanie twornika powoduje obniżenie
napięcia wyjściowego prądnicy.

Charakterystyka regulacyjna prądnicy (rys. 23) przedstawia zależność prądu wzbudzenia

prądnicy od prądu obciążenia

= f(

I) przy stałych wartościach: napięcia na zaciskach

prądnicy

U = const, cos

= const i prędkości wirnika

n = const. Charakterystyka regulacyjna

jest nieliniowa ze względu na nasycenie obwodu magnetycznego i spadki napięcia na
rezystancji i reaktancji rozproszenia twornika.

Rys. 23. Charakterystyka regulacyjna prądnicy

Wnioski wynikające z analizy charakterystyk regulacyjnych:

Aby utrzymać stałą wartość napięcia, należy:
1)

przy wzroście obciążenia o charakterze indukcyjnym powiększać prąd wzbudzenia,

przy wzroście obciążenia o charakterze pojemnościowym zmniejszać prąd wzbudzenia,

przy takiej samej wartości prądu obciążenia i malejącym cos

indukcyjnym zwiększać

prąd wzbudzenia, natomiast przy malejącej wartości cos

pojemnościowego zmniejszać

prąd wzbudzenia.

Moc i moment obrotowy

Moment elektromagnetyczny maszyny

lub

gdzie:

– moc wewnętrzna (elektryczna) maszyny,

– prędkość kątowa wirnika (prędkość synchroniczna),

– prędkość obrotowa wirnika (prędkość synchroniczna).

Moc wewnętrzna prądnicy:

⋅

Moc czynna oddana przez prądnicę:

cos

⋅

Moc P oraz moment M przedstawia się w funkcji kąta mocy

, który określa przesunięcie osi

pola magnetycznego wzbudzenia maszyny obciążonej w stosunku do położenia osi
wzbudzenia przy biegu jałowym. Korzystając z wykresu wektorowego i pomijając rezystancję
twornika R otrzymujemy zależność na moment elektromagnetyczny maszyny synchronicznej















⋅

−

⋅

sin

Równanie opisujące moment elektromagnetyczny możemy rozdzielić na dwie składowe:

cos

= 1

cos

= 0

cos

= 0

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Moment synchroniczny:

sin

⋅

który zależy od prądu wzbudzenia ponieważ E

= f(I

) i przyjmuje wartość maksymalną dla

kąta mocy

= 90

Moment reluktancyjny (reakcyjny)

sin

⋅

−

⋅

który występuje tylko w maszynie jawnobiegunowej, a powstaje na skutek różnych
permeancji na drodze strumienia w osi poprzecznej i podłużnej. Wartość jego zależy od
różnicy reaktancji synchronicznych poprzecznej i podłużnej oraz od kwadratu napięcia
twornika. Zjawisko powstawania momentu elektromagnetycznego przy braku prądu
wzbudzenia wykorzystano do budowy silników synchronicznych specjalnych.

Rys. 24. Charakterystyka kątowa momentu maszyny synchronicznej (jawnobiegunowej): a)

– moment

synchroniczny,

– moment reluktancyjny,

moment wypadkowy (elektromagnetyczny

), b) moment

elektromagnetyczny

dla różnych prądów wzbudzenia [1]

Przeciążalność maszyny synchronicznej jest to stosunek momentu maksymalnego przy
napięciu znamionowym i znamionowym prądzie wzbudzenia do momentu znamionowego

Dla maszyny z cylindrycznym wirnikiem

sin

Najczęściej przy pracy znamionowej kąt mocy

≈

, a więc przeciążalność typowych

maszyn synchronicznych u

≈

1,6

2,4.

Krzywe V
Przy stałej mocy czynnej prąd twornika oraz moc bierna zależą od prądu wzbudzenia.

Krzywe V – krzywe Mordeya przedstawiają zależność prądu twornika od prądu wzbudzenia

cos

= 1

poj.

ind

cos

= 1

ind.

poj

a) b)

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 25. Krzywe V: a) praca prądnicowa, b) praca silnikowa, c) rodzina krzywych dla różnych mocy [1]

= f(I

), przy zachowaniu stałych wartości: napięcia twornika U, częstotliwości f i mocy

czynnej P.

Prąd obciążenia maszyny synchronicznej zmienia się według krzywych V. Prąd

w rzeczywistości nigdy nie osiąga wartości zero, gdyż w maszynie występują pewne straty
mocy. Najmniejsza wartość prądu (odcinek LM) nazywana jest prądem czynnym jałowym.

Dla pracy prądnicowej wyznaczenie krzywych V jest możliwe, gdy prądnica pracuje

w sieci sztywnej, gdyż sieć narzuca częstotliwość i stałość napięcia prądnicy. Przy pracy
silnikowej warunki są spełnione przy zasilaniu z sieci sztywnej i obciążeniu stałym
momentem hamującym.

Prądnica synchroniczna przewzbudzona zasila sieć mocą bierną indukcyjną, czyli pobiera

z sieci moc bierną pojemnościową.

Właściwości ruchowe silników synchronicznych

Najczęściej silnik synchroniczny jest maszyną z biegunami wydatnymi. Może pracować

przy cos

= 1, a nawet pojemnościowym, czyli poprawiać ogólny współczynnik mocy. Nie

posiada jednak momentu rozruchowego, co jest jego główną wadą. Po załączeniu uzwojenia
stojana do sieci trójfazowej powstaje pole magnetyczne wirujące i w pewnym momencie, gdy
znajdują się nad sobą bieguny przeciwne stojana i wirnika, występuje tendencja pociągnięcia
za sobą wirnika przez pole wirujące stojana. Ze względu na dużą bezwładność wirnik nie
zdąży ruszyć, a w międzyczasie pole się przesunie i znajdą się nad sobą jednoimienne
bieguny. Zmiany biegunów następują zbyt szybko, aby wirnik wprawić w ruch. Pociągnięcie
przez pole wirujące wirnika a następnie wciągnięcie w synchronizm może mieć miejsce tylko
wtedy, gdy wirnik zostanie wprawiony w ruch i wiruje z prędkością równą (zbliżoną do)
prędkości synchronicznej.

Sposoby rozruchu silników synchronicznych

–

za pomocą obcej maszyny – włącza się do sieci jak prądnicę synchroniczną,

–

rozruch częstotliwościowy,

–

rozruch asynchroniczny własny.

Do rozruchu częstotliwościowego konieczne jest źródło o regulowanej częstotliwości.

Zwiększając częstotliwość od wartości bliskiej zeru powodujemy, że wirnik nadąża za polem
wirującym. Po osiągnięciu prędkości synchronicznej silnik przełączany jest na napięcie
sieciowe.

Rys. 26. Schemat połączeń silnika przy rozruchu asynchronicznym

Rozruch asynchroniczny własny możliwy jest wówczas, gdy silnik wyposażony jest

w klatkę rozruchową. Uzwojenie rozruchowe wykonane jest z prętów mosiężnych lub
miedzianych umieszczonych w żłobkach wyciętych w nabiegunnikach wirnika i zwarte po
obu stronach pierścieniami podobnie jak w silnikach klatkowych. Na czas rozruchu należy

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

zamknąć obwód wzbudzenia przez odpowiednio dobraną rezystancję gaszącą (rys. 26)
R

≈

10 R

, aby zapobiec pojawieniu się na rozwartych zaciskach zbyt dużego,

niebezpiecznego dla obsługi i maszyny, napięcia indukowanego przez wirujący strumień
magnetyczny.

Silnik synchroniczny zasilany z sieci o stałej częstotliwości napięcia utrzymuje w całym

zakresie obciążeń, aż do wypadnięcia z synchronizmu, stałą prędkość wirowania wirnika
równą prędkości synchronicznej (rys. 27).

Rys. 27. Charakterystyka silnika synchronicznego przy stałej częstotliwości napięcia zasilającego

Zastosowanie

Maszyny synchroniczne znalazły zastosowanie jako źródła energii prądu przemiennego.

Energia elektryczna wytwarzana jest w elektrowniach cieplnych przez turbogeneratory oraz
w elektrowniach wodnych przez hydrogeneratory.

Przy zasilaniu obwodu twornika z sieci elektroenergetycznej maszyna może pracować

jako silnik, który wykorzystywany jest w układach napędowych, gdzie wymagana jest stała
wartość prędkości przy założeniu pracy długotrwałej (rzadko dokonywany jest rozruch).

Maszyna synchroniczna może być wykorzystana do wytwarzania mocy biernej – jako

kompensator synchroniczny, który ma zdolność do samoregulacji, zapobiegając nadmiernym
wahaniom napięcia w sieci.

Zastosowanie maszyn synchronicznych specjalnych

–

silniki z magnesami trwałymi – w układach automatyki i zdalnego sterowania, zegarach
elektrycznych, magnetofonach i urządzeniach do przesuwu taśmy, licznikach impulsów,

–

silniki histerezowe – w napędach magnetofonów, gramofonów, zegarków elektrycznych,
żyroskopów,

–

prądnica tachometryczna – przy pomiarze prędkości,

–

silniki reduktorowe – stosowane są wówczas, gdy zachodzi konieczność uzyskania
małych prędkości.

4.4.2.

Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

Z jakich elementów składa się maszyna synchroniczna?

Jakie zjawiska wykorzystano w zasadzie działania maszyn synchronicznych?

Jaka jest różnica pomiędzy budową maszyny jawnobiegunowej i cylindrycznej?

Jak działa prądnica synchroniczna?

Jak działa silnik synchronicznej?

Do czego służą pierścienie ślizgowe w maszynie synchronicznej?

Jaka zależność łączy ze sobą moc i moment, a jaka napięcie, natężenie prądu i moc
maszyny synchronicznej?

Co to są krzywe V?

Jaki przebieg ma charakterystyka momentu w funkcji kąta obciążenia maszyny
synchronicznej?

max

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

10.

Jakie dwie składowe można wyodrębnić w momencie maszyny jawnobiegunowej?

11.

Jakie wielkości mają wpływ na moment elektromagnetyczny maszyny synchronicznej?

4.4.3.

Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Oblicz prędkość silnika synchronicznego o dwóch parach biegunów zasilanego z sieci

napięcia sinusoidalnego o częstotliwość napięcia 50 Hz.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

wypisać wielkości dane i szukane,

zapisać wzór wiążący wielkości występujące w zadaniu,

podstawić dane liczbowe,

wykonać obliczenia, wpisać jednostkę i podkreślić wynik.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

kalkulator,

–

arkusze papieru format A4,

–

katalogi maszyn synchronicznych,

–

literatura: Poradnik dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Przeprowadź analizę właściwości prądnicy synchronicznej na podstawie charakterystyk

zewnętrznych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

narysować rodzinę charakterystyk zewnętrznych dla różnych współczynników mocy
obciążenia,

narysować rodzinę charakterystyk zewnętrznych dla wybranego współczynnika mocy
obciążenia i różnych wartości prądu wzbudzenia,

przeprowadzić analizę przebiegu charakterystyk pod kątem wpływu współczynnika mocy
obciążenia na zmienność napięcia prądnicy,

przeprowadzić analizę przebiegu charakterystyk pod kątem wpływu prądu wzbudzenia na
wartość napięcia wyjściowego prądnicy,

wyciągnąć wnioski, jak należy regulować prąd wzbudzenia, aby przy zmianie obciążenia
o różnym charakterze utrzymać stałą wartość napięcia na zaciskach prądnicy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

arkusze papieru,

−

katalogi maszyn synchronicznych.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4.4.

Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) zdefiniować pojęcie „maszyna synchroniczna”?



2) zidentyfikować elementy budowy maszyn synchronicznych?



3) zdefiniować zjawiska wykorzystane w zasadzie działania maszyn

synchronicznych?



4) wymienić różnice pomiędzy budową maszyny jawnobiegunowej

i cylindrycznej?



5) wyjaśnić zasadę działania prądnicy synchronicznej?



6) wyjaśnić zasadę działania silnika synchronicznego?



7) wyjaśnić, do czego służą pierścienie ślizgowe w maszynie

synchronicznej?



8) zapisać zależność łączącą ze sobą moc i moment oraz napięcie,

natężenie prądu i moc maszyny synchronicznej?



9) wyjaśnić, co to są krzywe V?



10) narysować charakterystykę momentu w funkcji kąta obciążenia

maszyny synchronicznej?



11) wymienić składowe momentu maszyny jawnobiegunowej?



12) wymienić wielkości mające wpływ na moment elektromagnetyczny

maszyny synchronicznej?



13) obliczyć częstotliwość napięcia prądnicy, znając prędkość

synchroniczną i budowę maszyny?



14) obliczyć prędkość synchroniczną, znając budowę silnika

i częstotliwość napięcia zasilającego?



15) przeanalizować właściwości prądnicy synchronicznej na podstawie

charakterystyk?



16) przeanalizować właściwości silnika synchronicznego na podstawie

charakterystyki mechanicznej?



„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.5.

Budowa, zasada działania i zastosowanie maszyn
komutatorowych prądu stałego i przemiennego

4.5.1.

Materiał nauczania

Budowa maszyn komutatorowych

Część nieruchoma – stojan (stator)

W klasycznej maszynie prądu stałego korpus, będący jednocześnie jarzmem stojana,
wykonany jest jako odlew żeliwny lub staliwny. Do jarzma przykręcone są rdzenie biegunów
wykonane z jednolitej bryły metalu. Nabiegunniki, a często całe bieguny, wykonane są
z blach o grubości 0,5

1,5 mm. W nowoczesnych konstrukcjach maszyn prądu stałego

przewidzianych do współpracy z układami przekształtników statycznych, cały obwód
magnetyczny (magnetowód) wykonany jest z blach, a więc jarzmo, bieguny i nabiegunniki,
podobnie jak w maszynach komutatorowych prądu przemiennego. Na rdzeniach (pieńkach)
biegunów głównych umieszczone jest uzwojenie wzbudzenia – jest to uzwojenie skupione.
W maszynach prądu stałego większych mocy między biegunami głównymi znajdują się
bieguny pomocnicze (komutacyjne). W maszynach komutatorowych prądu przemiennego
bieguny komutacyjne stosuje się już od mocy 700 W. W maszynach pracujących w trudnych
warunkach w nabiegunnikach wydrążone są żłobki, w których umieszczone są uzwojenia
kompensacyjne.
Do pokryw korpusu stojana przymocowane są szczotkotrzymacze, w których umieszczone są
szczotki przylegające do komutatora.

Część wirująca – wirnik (rotor)

W maszynach prądu stałego i przemiennego wirnik ma taką samą budowę. Na wale wirnika
umieszczony jest rdzeń wykonany z blach żelazo-krzemowych, prądnicowych. Wirnik ma
kształt walca z wyciętymi na zewnętrznej części rowkami (tzw. żłobkami). W żłobkach
umieszczone jest uzwojenie wykonane z miedzi. Uzwojenie wirnika jest uzwojeniem
rozłożonym i zamkniętym (początek pierwszego zezwoju połączony jest z końcem ostatniego
zezwoju). Końce zezwojów podłączone są do komutatora umieszczonego na wspólnej osi
z rdzeniem wirnika. Komutator spełnia rolę prostownika mechanicznego.

Elementy dodatkowe:

–

umożliwiające mocowanie maszyny – łapy lub kołnierz,

–

ułatwiające transport – ucho,

–

umożliwiające podłączenie obwodów zewnętrznych – tabliczka zaciskowa, do której
podłączone są uzwojenia maszyny,

–

tabliczka znamionowa – zawiera parametry znamionowe maszyny.

Zasada działania

Prądnica wykorzystuje zjawisko indukcji elektromagnetycznej.

Przepływ prądu wzbudzenia w uzwojeniu stojana, który jest magneśnicą, wytwarza pole
magnetyczne. Po doprowadzeniu energii mechanicznej do wirnika, wirnik zaczyna wirować
a wraz z nim uzwojenie umieszczone w żłobkach. W uzwojeniu wirującym (poruszającym
się) w polu magnetycznym wytwarzanym przez bieguny główne indukuje się siła
elektromotoryczna rotacji:

= c

Φω

lub

= c

gdzie: stała konstrukcyjna maszyny

⋅

;

⋅

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

– strumień magnetyczny w szczelinie powietrznej,

– prędkość kątowa,

– prędkość obrotowa.

Jeśli prądnicę obciążymy, to w uzwojeniach twornika popłynie prąd I

i powstanie moment

elektromagnetyczny

= c

gdzie c

= c

który jest momentem hamującym.
Aby utrzymać stałą wartość prędkości wirowania wirnika w miarę wzrostu obciążenia
prądnicy, należy zwiększać moc mechaniczną dostarczaną do wału prądnicy.

Silnik wykorzystuje zjawisko elektrodynamiczne.

Przepływ prądu wzbudzenia w uzwojeniu stojana, który jest magneśnicą, wytwarza pole
magnetyczne o strumieniu

. Po podłączeniu napięcia do uzwojenia wirnika w wirniku

popłynie prąd I

. Na skutek oddziaływania pola magnetycznego stojana na uzwojenie wirnika,

w którym płynie prąd, powstaje moment elektromagnetyczny

= c

który w silniku jest momentem napędowym. Jeżeli moment napędowy będzie większy od
momentu hamującego M

, będącego sumą momentu oporowego na wale silnika M

i momentu strat jałowych M

, wirnik zacznie wirować. W wirującym wirniku indukuje się siła

elektromotoryczna

= c

zwana też siłą przeciwelektromotoryczną.
Wzrostowi momentu oporowego odpowiada taki wzrost prądu obciążenia, aby w stanie
ustalonym zachodziła równowaga momentów napędowego M i hamującego M

= M

Maleje więc prędkość wirowania wirnika, maleje wartość siły elektromotorycznej
indukowanej w uzwojeniu wirnika, a rośnie prąd i rośnie moment napędowy.

Wniosek

Silnik samoczynnie dostosowuje się do zmiany obciążenia.

Właściwości ruchowe prądnic prądu stałego

Właściwości ruchowe prądnic można określić na podstawie charakterystyk zewnętrznych.

Prądnica obcowzbudna.

Rys. 28. a) Schemat układu połączeń uzwojeń prądnicy obcowzbudnej, b) charakterystyka zewnętrzna prądnicy

Zalety:

–

możliwości uzyskania napięcia na biegu jałowym,

–

mała zmienność napięcia

(

100

−

(rys. 28b).

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wady:

–

duży prąd zwarcia I

= (15

20) I

–

konieczne dodatkowe źródło zasilające obwód wzbudzenia.

Prądnica bocznikowa

Zalety:

–

możliwości uzyskania napięcia na biegu jałowym,

–

mała wartość prądu zwarcia – zazwyczaj jest mniejszy od prądu znamionowego
(rys. 29b),

–

prąd maksymalny nie przekracza 2

3 – krotnej wartości prądu znamionowego,

–

prądnica nie wymaga dodatkowego źródła zasilania obwodu wzbudzenia.

Wady:

– znacznie większa niż w prądnicy obcowzbudnej zmienność napięcia

= (15

25)% U

nawet do 30%.

Rys. 29. a) Schemat układu połączeń uzwojeń prądnicy bocznikowej, b) charakterystyka zewnętrzna
prądnicy bocznikowej

Prądnica szeregowa

Rys. 30. a) Schemat układu połączeń uzwojeń prądnicy szeregowej, b) charakterystyka zewnętrzna prądnicy
szeregowej

Zalety:

–

wzrost przepływu wzbudzenia przy wzroście prądu obciążenia.

Wady:

–

niestabilna charakterystyka zewnętrzna (rys. 30b),

–

duży prąd zwarcia podtrzymywany własnym przepływem magnesującym,

–

brak możliwości otrzymania napięcia na biegu jałowym.

Prądnica szeregowo-bocznikowa

Zalety:

–

nie wymaga dodatkowego źródła zasilania obwodu wzbudzenia,

–

możliwość uzyskania napięcia na biegu jałowym,

szcz

a) b)

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

–

wzrost przepływu wzbudzenia uzwojenia szeregowego przy wzroście obciążenia – przy
odpowiednio dobranej liczbie zwojów uzwojenia szeregowego można uzyskać
kompensację spadków napięcia i oddziaływania twornika (rys. 31b – krzywa 2),

–

mała zmienność napięcia.

Wady:

–

dość duży prąd zwarcia.

Rys. 31. a) Schemat układu połączeń uzwojeń prądnicy szeregowo-bocznikowej, b) charakterystyka zewnętrzna
prądnicy szeregowo-bocznikowej: 1 i 2 – współdziałanie przepływów (

fsz1

fsz2

), 3 – charakterystyka

prądnicy bocznikowej, 4 – rozmagnesowujące działanie przepływu szeregowego

Własności ruchowe silników komutatorowych prądu stałego

Własności ruchowe silników prądu stałego można określić na podstawie charakterystyki
mechanicznej n = f(M) przy U = const i I

= const opisanej zależnością matematyczną:

∑

⋅

−

⋅

−

⋅

lub zewnętrznej n = f(I) przy U = const i I

= const, którą teoretycznie można wyznaczyć

z zależności:

∑

⋅

−

⋅

oraz charakterystyki momentu M = f(I) przy U = const i I

= const, którą ogólnie opisuje

zależność matematyczna:

gdzie: c

i c

– stałe konstrukcyjne maszyny,

– strumień wzbudzenia,

– suma rezystancji obwodu twornika,

– prąd twornika,

U – napięcie twornika, zasilające silnik.

Charakterystyki zewnętrzna i mechaniczna mają podobny przebieg i bardzo często

w literaturze charakterystyka zewnętrzna nazywana jest mechaniczną.

Jeśli silnik będzie zasilany tak, aby prądy w uzwojeniach wzbudzenia i twornika płynęły

od „1” (A1, E1, F1, D1) do „2” (A2, E2, F2, D2) lub odwrotnie, wirnik będzie wirował
w prawo. Aby zmienić kierunek wirowania wirnika, należy zmienić zwrot prądu w jednym
z uzwojeń (stojana lub wirnika). Ze względu na pracę silnika nie ma to większego znaczenia.
Jednak, gdy maszyna jest przewidywana jako prądnica bocznikowa, należy zawsze stosować
przepływ prądu od E1 do E2, czyli zmieniać można jedynie zwrot prądu w wirniku
(tworniku).

E1 E2

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Silnik obcowzbudny i bocznikowy

Przy stałej wartości napięcia twornika silnik obcowzbudny zachowuje się tak samo jak

silnik bocznikowy. Oba typy silników mają analogiczne właściwości ruchowe.
W idealnym przypadku charakterystyka mechaniczna (rys. 33a) będzie prostą opadającą
(krzywa

1). Poprzeczne oddziaływanie twornika osłabia strumień i rzeczywista

charakterystyka opada wolniej (rys. 33a – krzywa 2). Przy bardzo silnej reakcji twornika
(rozmagnesowującego oddziaływania twornika) charakterystyka może wznosić się do góry.
Jest to zjawisko niepożądane, gdyż może grozić rozbieganiem silnika.

Rys. 32. Schemat układu połączeń uzwojeń silnika: a) obcowzbudnego, b) bocznikowego

Rys. 33. Charakterystyka: a) mechaniczna, b) momentu silnika obcowzbudnego i bocznikowego

Z charakterystyki mechanicznej wyznacza się zmienność prędkości:

100

−

Zalety:

–

mała zmienność prędkości

= (2

5)% n

– silniki te mają charakterystykę sztywną,

nazywaną również bocznikową (

≤

10%).

Wady:

–

duży prąd rozruchowy (prąd zwarcia przy rozruchu bezpośrednim I

= 10

30 I

)

–

włączenie rezystancji w obwód wirnika powoduje wzrost zmienności prędkości, przy
dużej wartości rezystancji w obwodzie wirnika charakterystyka traci sztywność.

Silnik szeregowy

Uzwojenie wzbudzenia połączone jest szeregowo z uzwojeniem twornika, czyli

= I

Wzrost prądu obciążenia powoduje wzrost strumienia wzbudzenia. Dla małych wartości

prądu obciążenia można przyjąć liniową zależność między prądem I i strumieniem

= cI

Moment elektromagnetyczny opisuje zależność:

= c

a) b)

0 0

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Dla dużych prądów charakterystyka magnesowania wchodzi w zakres nasycenia

i strumień praktycznie nie zależy od prądu obciążenia, a więc moment elektromagnetyczny
opisuje zależność liniowa:

= c

Rys. 34. a) Schemat układu połączeń uzwojeń silnika szeregowego, b) charakterystyka mechaniczna,
c) charakterystyka momentu

Zalety:

–

duży moment rozruchowy,

–

zależność momentu od kwadratu prądu obciążenia, dzięki czemu przy dużych zmianach
momentu hamującego występują znacznie mniejsze zmiany prądu obciążenia.

Wady:

–

duża zmienność prędkości (rys. 34b) – silniki te mają charakterystykę elastyczną,
miękką, nazywaną również szeregową,

–

niebezpieczeństwo rozbiegania silnika na biegu jałowym, dlatego powinien on zawsze
pracować pod obciążeniem,

–

duży prąd rozruchowy (przy rozruchu bezpośrednim prąd zwarcia I

= 10

30 I

Silnik szeregowo-bocznikowy

Właściwości tego silnika są pośrednie między silnikiem bocznikowym i szeregowym
w zależności od udziału przepływów szeregowego i bocznikowego. Przepływ szeregowy ma
niewielki udział i zazwyczaj uzwojenie szeregowe włącza się tak, aby wspomagało przepływ
uzwojenia bocznikowego. W silniku tym nie ma niebezpieczeństwa rozbiegania przy biegu
jałowym. Przy włączeniu uzwojenia szeregowego przeciwnie uzyskuje się wznoszącą
charakterystykę mechaniczną i praca silnika jest niestabilna.

Rys. 35. a) Schemat układu połączeń uzwojeń silnika szeregowo-bocznikowego, b) charakterystyka
mechaniczna: 1 – przeciwne połączenie uzwojeń wzbudzenia, 2 – zgodne połączenie uzwojeń wzbudzenia

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Właściwości ruchowe silników komutatorowych prądu przemiennego

Jednofazowe silniki komutatorowe bocznikowe prądu przemiennego

Rys. 36. Schemat połączeń uzwojeń jednofazowego silnika komutatorowego bocznikowego

Wartość chwilowa momentu elektromagnetycznego jest proporcjonalna do iloczynu

wartości chwilowych prądu i

i strumienia

(t).

Wartość średnia momentu opisana jest

zależnością

= c

cos

gdzie

– kąt zawarty między prądem twornika i strumieniem wzbudzenia.

Kąt

ma dużą wartość a więc średnia wartość momentu jest bardzo mała, dlatego silniki

bocznikowe zasilane z sieci jednofazowej prądu przemiennego nie znajdują zastosowania
w napędach przemysłowych. W silnikach małych mocy stosuje się połączenie uzwojeń
wzbudzenia z elementami dodatkowymi RC lub dławikami podsycanymi dla zmniejszenia
przesunięcia fazowego między prądami. Można też zasilać silnik z sieci trójfazowej włączając
odpowiednio jedno uzwojenie na napięcie fazowe a drugie na napięcie międzyfazowe, aby
uzyskać między napięciami przesunięcie 90

Jednofazowe silniki komutatorowe szeregowe prądu przemiennego.

Rys.37. a) Schemat połączeń uzwojeń silnika komutatorowego jednofazowego szeregowego,
b) charakterystyka mechaniczna

Strumień główny

i prąd wirnika I

są ze sobą w fazie. Kierunek działania momentu

pozostaje stały, natomiast jego wartość jest równa połowie wartości maksymalnej.
W silnikach o mocy P > 500 W wykonuje się na biegunach uzwojenie kompensacyjne,
którego zadaniem jest kompensacja poprzecznego oddziaływania twornika.

Główne zalety:

–

duży moment rozruchowy,

–

zależność momentu od kwadratu prądu obciążenia.
Główne wady:

–

duża zmienność prędkości,

–

niebezpieczeństwo rozbiegania na biegu jałowym.

Silnik komutatorowy szeregowy nazywany jest silnikiem uniwersalnym, gdyż może być

zasilany ze źródła napięcia stałego i przemiennego. Przy zasilaniu ze źródła napięcia stałego
silnik rozwija większą prędkość przy tej samej wartości napięcia i obciążenia niż przy
napięciu przemiennym. Dla uzyskania tej samej prędkości dla napięcia przemiennego stosuje
się odczepy na uzwojeniu wzbudzenia i zmniejsza liczbę zwojów, co w konsekwencji
powoduje zmniejszenie strumienia wzbudzenia.

2D1

2D2

1D1

1D2

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

W celu zmniejszenia zakłóceń radioelektrycznych w silnikach małej mocy stosuje się

filtry w postaci układu RC załączanego na zaciski silnika. Włączenie wirnika między
uzwojenia obu biegunów stojana również wpływa na zmniejszenie zakłóceń.

Zastosowanie maszyn komutatorowych

–

prądnice obcowzbudne – elektromaszynowe układy napędowe,

–

prądnice bocznikowe – jako prądnice samochodowe, wzbudnice maszyn synchronicznych,

–

prądnice specjalnej konstrukcji: typu Rosenberga – jako prądnica spawalnicza i prądnica
wagonowa (oświetlenie wagonów kolejowych),

–

silniki szeregowe prądu stałego – w trakcji elektrycznej, napędy urządzeń dźwigowych
i suwnic,

–

silniki jednofazowe szeregowe – silniki uniwersalne: w elektronarzędziach, sprzęcie
gospodarstwa domowego (sokowirówki, roboty kuchenne, odkurzacze, itp.), wiertarkach

dentystyczne, w trakcji elektrycznej w Europie (f =

Hz) i w Ameryce (f = 25 Hz),

–

silniki repulsyjne: w napędach wymagających płynnej regulacji prędkości oraz dużego
momentu rozruchowego przy zasilaniu bezpośrednim jednofazowym – włókiennictwo,
napędy dźwigowe

–

silniki prądu stałego małej mocy o wykonaniu specjalnym – jako silniki wykonawcze
w układach automatycznego sterowania i regulacji.

4.5.2.

Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

Jaka jest różnica w budowie pomiędzy maszynami prądu stałego a przemiennego?

Co to jest komutator i jaką rolę pełni w prądnicy?

Jakie zjawisko wykorzystano w zasadzie działania prądnicy prądu stałego?

Jak działa prądnica prądu stałego?

Jaką rolę w silniku pełni komutator?

Jakie zjawisko wykorzystano w zasadzie działania silnika prądu stałego.

Jak działa silnik prądu stałego?

Jakie zalety mają prądnice obcowzbudne a jakie bocznikowe?

Jakie wady mają prądnice obcowzbudne a jakie bocznikowe?

10.

Jakie zalety mają silniki komutatorowe bocznikowe a jakie szeregowe prądu stałego?

11.

Jakie zalety mają silniki komutatorowe szeregowe prądu przemiennego?

12.

Jakie wady mają silniki komutatorowe szeregowe prądu stałego i przemiennego, a jakie
bocznikowe prądu przemiennego?

4.5.3.

Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Porównaj charakterystyki mechaniczne silników komutatorowych prądu stałego

i przemiennego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

narysować układ współrzędnych M, n,

narysować charakterystyki mechaniczne silników komutatorowych prądu stałego,

narysować charakterystyki mechaniczne silników komutatorowych prądu przemiennego
w tym samym układzie współrzędnych,

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

porównać przebieg charakterystyk i przeanalizować zachowanie się silników przy
wzroście momentu obciążenia,

zapisać matematyczną postać funkcji n = f(M),

przeprowadzić analizę funkcji i dorysować inną linią charakterystyki dla U < U

oraz dla

, .

przygotować plakat lub foliogram,

przygotować prezentację dla kolegów,

zaprezentować efekty pracy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

mazaki,

−

arkusz papieru lub folia do grafoskopu.

Ćwiczenie 2

Na podstawie charakterystyk mechanicznych i charakterystyk momentu porównaj

właściwości ruchowe silników komutatorowych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

narysować we wspólnym układzie współrzędnych przykładowe charakterystyki
mechaniczne silników: szeregowego, bocznikowego i szeregowo-bocznikowego prądu
stałego oraz szeregowego prądu przemiennego,

określić zmienność prędkości dla każdego typu silnika,

narysować charakterystyki momentu,

porównać momenty rozruchowe i określić wpływ zmian momentu obciążenia na prąd
obciążenia,

przygotować plakat lub foliogram,

przygotować prezentację dla kolegów,

zaprezentować efekty pracy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

arkusze papieru lub folia,

–

pisaki kolorowe.

Ćwiczenie 3

Na podstawie modelu omów budowę maszyny komutatorowej prądu stałego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

przypomnieć sobie wiadomości z zakresu materiałów stosowanych do budowy maszyn
elektrycznych – rodzaj materiału i cechy charakterystyczne,

przyporządkować rodzaj materiału do elementu budowy maszyny,

wybrać odpowiedni model maszyny elektrycznej spośród znajdujących się w pracowni,

przygotować prezentację,

omówić budowę maszyny na podstawie modelu wskazując element budowy z podaniem
materiałów, z jakich wykonywane są elementy, i cech charakterystycznych materiałów.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

arkusze papieru,

–

pisaki,

–

modele maszyn komutatorowych – przekroje,

–

tablice z elementami budowy maszyn komutatorowych.

4.5.4.

Sprawdzian postępów

Czy

potrafisz:

Tak Nie

1) wymienić różnice w budowie maszyn prądu stałego

i przemiennego?



2) określić, co to jest komutator i jaką rolę pełni w prądnicy?



3) zdefiniować zjawisko wykorzystane w zasadzie działania prądnicy

prądu stałego?



4) wyjaśnić zasadę działania prądnicy prądu stałego?



5) określić, jaką rolę pełni komutator w silniku?



6) zdefiniować zjawisko wykorzystane w zasadzie działania silnika

prądu stałego?



7) wyjaśnić zasadę działania silnika prądu stałego?



8) porównać zalety prądnicy obcowzbudnej i bocznikowej?



9) porównać wady prądnicy obcowzbudnej i bocznikowej?



10) wymienić zalety silników komutatorowych bocznikowych

i szeregowych prądu stałego?



)

wymienić zalety silników komutatorowych szeregowych prądu
przemiennego?



12) wymienić wady silników komutatorowych szeregowych prądu

stałego i przemiennego oraz bocznikowych prądu przemiennego?



13) wyjaśnić przyczyny powstawania strat mocy w maszynach

komutatorowych i określić ich sprawność?



14) rozpoznać elementy konstrukcyjne maszyn komutatorowych?



15) rozróżnić maszyny komutatorowe na podstawie wyglądu

zewnętrznego, schematu i tabliczki znamionowej?



„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ

INSTRUKCJA DLA UCZNIA

Przeczytaj uważnie instrukcję i zapoznaj się z zestawem zadań testowych. Masz na to
5 minut. Jeżeli masz wątpliwości, zapytaj nauczyciela.

Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.

Twoje zadanie polega na poprawnym rozwiązaniu 20 zadań o różnym poziomie
trudności: zadania 1

14 są zadaniami z poziomu podstawowego, zadania 15

20 to

poziom ponadpodstawowy .

Rozwiązuj najpierw zadania z

poziomu podstawowego, potem z poziomu

ponadpodstawowego.

Za poprawne rozwiązanie 12 zadań z poziomu podstawowego otrzymasz ocenę
dostateczną. Aby otrzymać ocenę dopuszczającą, powinieneś rozwiązać co najmniej 8
zadań z poziomu podstawowego.

Za poprawne rozwiązanie 16 zadań (w tym minimum 12 z poziomu podstawowego)
otrzymasz ocenę dobrą.

Za prawidłowe rozwiązanie 19 zadań otrzymasz ocenę bardzo dobrą.

Zaznacz poprawną odpowiedź zaczerniając właściwe pole w karcie odpowiedzi.

W przypadku zmiany decyzji dotyczącej wyboru odpowiedzi, poprzednio zaznaczoną
odpowiedź zakreśl kółkiem i zaznacz ponownie właściwą odpowiedź.

10.

Rozwiązanie zadania będzie uznane za prawidłowe, jeżeli udzielisz poprawnej
odpowiedzi, uzyskasz wówczas jeden punkt.

11.

Rozwiązanie niepoprawne lub jego brak spowoduje nie zaliczenie zadania, wówczas
uzyskasz 0 punktów.

12.

Na rozwiązanie zadań masz 40 minut.

13.

Jeżeli czas pozwoli, sprawdź przed oddaniem pracy odpowiedzi, jakich udzieliłeś.

ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH

Ze względu na rodzaj prądu maszyny elektryczne dzielimy na:
a)

maszyny elektryczne wirujące, maszyny elektryczne liniowe, transformatory,

silniki, prądnice, przetwornice,

maszyny prądu stałego, maszyny prądu przemiennego: jednofazowe, wielofazowe,

obcowzbudne, samowzbudne: bocznikowe, szeregowe, szeregowo-bocznikowe.

Prądnica jest to:
a)

maszyna elektryczna wirująca przetwarzająca energię elektryczną na energię
mechaniczną,

maszyna elektryczna wirująca przetwarzająca energię mechaniczną na energię
elektryczną,

maszyna elektryczna nie wirująca przetwarzająca energię elektryczną na energię
mechaniczną,

maszyna elektryczna nie wirująca przetwarzająca energię elektryczną przy tej samej
częstotliwości i mocy.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

W zasadzie działania silnika wykorzystano zjawisko:
a)

indukcji własnej,

elektrodynamiczne,

magnetyczne,

cieplne.

Komutator w maszynie komutatorowej pełni rolę:
a)

pierścieni ślizgowych,

prostownika elektronicznego,

użebrowanej obudowy,

prostownika mechanicznego.

Prędkość synchroniczną obliczysz z zależności:

−

⋅

Izolację w maszynach elektrycznych wykonuje się z:
a)

materiałów przewodzących,

materiałów magnetycznie miękkich,

blach elektrotechnicznych,

materiałów elektroizolacyjnych.

Jaka jest prędkość silnika synchronicznego o dwóch parach biegunów zasilanego z sieci
napięcia sinusoidalnego o częstotliwości 50 Hz:
a)

3000 obr/min,

1500 obr/min,

1000 obr/min,

750 obr/min.

Rysunek przedstawia tabliczkę znamionową:
a)

silnika prądu stałego,

transformatora trójfazowego,

silnika indukcyjnego trójfazowego,

silnika synchronicznego.

Oblicz prąd znamionowy silnika prądu stałego o mocy znamionowej P

= 1,7 kW,

napięciu U

= 200 V i sprawności

10 A,

8,5 A,

7,5

14 A.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

10.

Mocą znamionową transformatora podawaną na tabliczce znamionowej jest:
a)

moc bierna,

moc pozorna,

moc czynna,

moc pola wirującego.

11.

Oblicz, jakie napięcie pojawi się po stronie wtórnej transformatora o liczbie zwojów
uzwojenia pierwotnego N

= 1200 i wtórnego N

= 30 podłączonego do sieci o napięciu

400 V:
a)

= 40 V,

= 0,4 V,

= 10 V,

= 3 V.

12.

Z parametrów umieszczonych na tabliczce znamionowej wynika, że jest to silnik
indukcyjny trójfazowy, który można podłączyć
do sieci trójfazowej o napięciu 220/380V przy
skojarzeniu uzwojeń:
a)

tylko w trójkąt,

tylko w gwiazdę,

i w trójkąt i w gwiazdę,

nie można podłączyć.

13.

Charakterystykę mechaniczną silnika uniwersalnego przedstawia rysunek

14.

Rysunek przedstawia:
a)

wirnik silnika pierścieniowego,

wirnik silnika klatkowego,

wirnik silnika prądu stałego,

wirnik maszyny synchronicznej.

15.

Z zasady odwracalności pracy maszyn elektrycznych wynika, że:
a)

w przewodzie znajdującym się pod wpływem zmiennego strumienia magnetycznego
gromadzi się energia cieplna, a jeśli pod jej wpływem popłynie prąd, to przewód
nagrzewa się,

w przewodzie znajdującym się pod wpływem zmiennego strumienia magnetycznego
powstaje różnica potencjałów, a jeśli pod jej wpływem popłynie prąd, to pole
oddziałuje na przewód siłą elektrodynamiczną,

w polu magnetycznym gromadzi się energia elektryczna, gdy prąd narasta od zera do
wartości ustalonej, a gdy prąd maleje do zera to energia jest oddawana do źródła
zasilania,

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

w polu elektrycznym gromadzi się energia elektryczna, gdy prąd maleje od wartości
maksymalnej do zera, a gdy prąd narasta od zera do wartości ustalonej, to energia
jest oddawana do źródła zasilania.

16.

Z porównania charakterystyk momentu silnika szeregowego M = c

i bocznikowego

= c

wynika, że:

silnik bocznikowy rozwija większy moment rozruchowy niż szeregowy,

silniki szeregowy i bocznikowy posiadają takie same momenty rozruchowe,

silnik synchroniczny posiada większy moment rozruchowy niż szeregowy,

silnik szeregowy rozwija większy moment rozruchowy od bocznikowego.

17.

Sprawność maszyn komutatorowych jest mniejsza od sprawności maszyn indukcyjnych
ze względu na:
a)

mniejszą moc przypadającą na jednostkę masy maszyny,

większe straty mechaniczne wywołane przez szczotki,

skomplikowaną budowę komutatora,

mniejsze straty mocy występujące podczas pracy.

18.

Dwubiegunowy wirnik prądnicy synchronicznej napędzany jest silnikiem z możliwością
regulacji prędkości w zakresie 157 rad

-1

≤

628 rad

-1

. Jaki jest zakres regulacji

częstotliwości prądnicy:
a)

25 Hz

≤

100 Hz,

50 Hz

≤

100 Hz,

25 A

≤

100 A,

157 Hz

≤

628 Hz.

19.

Silnik indukcyjny klatkowy ma następujące dane: P

= 10 kW, n

= 965 obr./min,

= 160 Nm. Oblicz przeciążalność i poślizg znamionowy:

= 16; s

= 35%,

= 1,6; s

= 3,5%,

= 3,5; s

= 16%,

= 3,5; s

= 1,6%.

20.

Transformator zasilany napięciem znamionowym podczas pracy pod obciążeniem
nagrzewa się nadmiernie. Prąd obciążenia nie przekracza prądu znamionowego.
Przyczyną wzrostu strat mocy może być:
a)

przeciążenie transformatora,

wzrost indukcji w rdzeniu,

zwarcie między blachami,

przerwa w uziemieniu.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

KARTA ODPOWIEDZI

Imię i nazwisko ……………………………………………………………………………

Charakteryzowanie procesów przetwarzania energii elektrycznej

Zaznacz poprawną odpowiedź zaczerniając odpowiednie pole.

Nr zadania

Odpowiedź

Punktacja

1 a b c d

2 a b c d

3 a b c d

4 a b c d

5 a b c d

6 a b c d

7 a b c d

8 a b c d

9 a b c d

10 a b c d

11 a b c d

12 a b c d

13 a b c d

14 a b c d

15 a b c d

16 a b c d

17 a b c d

18 a b c d

19 a b c d

20 a b c d

Razem:

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

LITERATURA

Goźlińska E.: Maszyny elektryczne. WSiP, Warszawa 1998

Plamitzer A.M.: Maszyny elektryczne. WNT, Warszawa 1976

Praca zbiorowa: Poradnik montera elektryka. WNT, Warszawa 1997

Stein Z.: Maszyny i napęd elektryczny. WsiP, Warszawa 1989

Stein Z.: Maszyny elektryczne. WsiP, Warszawa 1995

Normy:
PN-92/E-01200 – Symbole graficzne stosowane w schematach.
PN-83/E-06040 – Transformatory. Ogólne wymagania i badania.
PN-91/E-06700 – Maszyny elektryczne wirujące. Terminologia.
PN-88/E-06701 – Maszyny elektryczne wirujące. Ogólne wymagania i badania
PN-89/E-06702 – Maszyny elektryczne wirujące. Straty i sprawność.
PN-89/E-06707 – Maszyny elektryczne wirujące. Oznaczenia form wykonania.
PN-88/E-06708 – Maszyny elektryczne wirujące. Oznaczenia wyprowadzeń

i kierunku wirowania.

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Charakteryzowanie procesów przetwarzania energii elektrycznej
5 Ocena procesu przetwarzania energii
Charakterystyka cyklu życia energii elektrycznej pozyskiwanej z gazu pf, Ochrona Środowiska pliki uc
5. Ocena procesu przetwarzania energii
Charakterystyka cyklu życia energii elektrycznej pozyskiwanej z gazu, Ochrona Środowiska pliki uczel
teoria 1, Elektrotechnika AGH, Semestr IV letni 2013-2014, Elektromechaniczne Przetwarzanie Energii,
KOCIOL, 5.9 Podstawowe urz˙dzenia przetwarzaj˙ce energi˙ w elektrowniach parowych.
43 Zasady i sposoby przetwarzania energii elektrycznej w energię mechaniczną i odwrotnie
Urządzenie do kumulacji i przetwarzania energii elektrycznej
Rola energetyki jądrowej w procesie wytwarzania energii elektrycznej
Charakterystyka podstawowych parametrów jakości energii elektrycznej
Zadania do testu, Elektrotechnika AGH, Semestr IV letni 2013-2014, Elektromechaniczne Przetwarzanie
sprawozdanieAGH vel Czaro, Elektrotechnika AGH, Semestr IV letni 2013-2014, Elektromechaniczne Przet
Egzamin z E.P.E, Egzamin - Elektromechaniczne przetwarzanie energii - Opracowana Teoria Cz.1, 1
wieleba,przetwórstwo tworzyw sztucznych, WYTŁACZANIE charakterystyka procesu

więcej podobnych podstron