SZKIC DO WYKŁADÓW Z PRZEDMIOTU

MASZYNY ELEKTRYCZNE

kier. Energetyka,

studia stacjonarne, 1-szego stopnia, sem. IV

cz. 1

WPROWADZANIE

SZKIC DO WYKŁADÓW Z PRZEDMIOTU

MASZYNY ELEKTRYCZNE

kier. Energetyka,

studia stacjonarne, 1-szego stopnia, sem. IV

cz. 1

WPROWADZANIE

Mieczysław RONKOWSKI

Politechnika Gdańska

Wydział Elektrotechniki i Automatyki

Katedra Energoelektroniki

i Maszyn Elektrycznych

MASZYNY ELEKTRYCZNE

(Kier. Energetyka, stud. stacjonarne 1-szego stopnia, sem. 4, rok akad. 2007/2008

ROZKŁAD ZAJĘĆ

Przedmiot sem. W Ć L P

Maszyny
elektryczne

IV 2 1 2 —

PROWADZĄCY:

• Wykład i ćwiczenia - M. Ronkowski
• Laboratorium - M. Ronkowski, W. Rafalski, M. Kamiński

tel: 347 - 2087; email: [e-mail]; p. EM 311, ul. Sobieskiego 7

TREŚĆ PROGRAMU

Ogólne zasady budowy i działania maszyn elektrycznych. Zjawiska fizyczne, sprzężenie transformatorowe, sprzężenie

elektromechaniczne, klasyfikacja, rodzaje pracy. Transformatory jednofazowe. Stan jałowy, stan obciążenia, zmiana

napięcia, stan zwarcia, model obwodowy, straty mocy i sprawność. Transformatory trójfazowe. Układy połączeń, praca

równoległa. Maszyny prądu stałego. Budowa, sprzężenie elektromechaniczne - generacja momentu

elektromagnetycznego i napięcia, oddziaływanie twornika, model obwodowy i parametry, silniki - charakterystyki

mechaniczne, rozruch, hamowanie, nawrót, sterowanie prędkością kątową. Maszyny synchroniczne. Budowa i sposoby

chłodzenia, generacja napięcia i momentu elektromagnetycznego, oddziaływanie twornika, maszyna z biegunami

utajonymi (turbogenerator) – model obwodowy i parametry, wykres fazorowy, praca autonomiczna - charakterystyk

zewnętrzne i regulacyjne, praca w systemie energetycznym – synchronizacja, charakterystyka kątowa, moc i moment

synchronizujący, wykres uniwersalny, silnik synchroniczny. Maszyny indukcyjne. Budowa, generacja napięcia i

momentu elektromagnetycznego, model obwodowy i parametry, wykres fazorowy, silniki - charakterystyki mechaniczne,

rozruch, hamowanie, nawrót, sterowanie prędkością kątową, prądnice - praca autonomiczna, praca w systemie

energetycznym.

Zajęcia ćwiczeniowe (tablicowe) i laboratoryjne są ilustracją kolejnych zagadnień omawianych na

wykładzie.

DYSCYPLINA: Elektrotechnika

DYSCYPLINA: Podstawowa

•

TEORIA/MODELOWANIE/SYMULACJA

•

KONSTRUKCJA

•

PROJEKTOWANIE

•

TECHNOLOGIA

•

POMIARY

•

DIAGNOSTYKA

•

STEROWANIE

•

REGULACJA

POLE ELEKTROMAGNETYCZNE

Wzajemne oddziaływanie ładunków elektrycznych

opisujemy wprowadzając pojęcie

pola elektromagnetycznego.

Przez pole rozumiemy przestrzeń, w której

na ładunek

q

działa siła Lorentza

F

)

B

v

E

F

×

+

⋅

=

(

q

HANS CHRISTIAN OERSTED (1777-1851)

DOŚWIADCZENIE (1819-1820)

MICHAEL FARADAY (1791-1867)

PIERWSZY SILNIK

ELEKTRYCZNY (1821)

PRAWO INDUKCJI

ELEKTROMAGNETYCZNEJ

PIERWSZY GENERATOR

MAGNETOELEKTRYCZNY (1831)

CHARLES GRAFTON PAGE (1812-1868)

SILNIK ELEKTRYCZNY

ANALOG SILNIKA PAROWEGO (1846)

THOMAS EDISON i JEGO MASZYNA

THOMAS EDISON i JEGO MASZYNA

ENERGIA MAGAZYNOWANA

W POLU ELEKTROMAGNETYCZNYM

W POLU MAGNETYCZNYM – MASZYNY ELEKTROMAGNETYCZNE

0

2

2

1

2

1

μ

B

BH

W

m

=

=

H

B

0

μ

=

Vs/Am

lub

H/m

10

4

T

1

-7

0

⋅

=

=

π

μ

B

3

5

J/m

10

98

,

3

⋅

=

m

W

W POLU ELEKTRYCZNYM – MASZYNY ELEKTROSTATYCZNE

3

2

0

J/m

2

1

E

W

e

ε

=

As/Vm

10

85

,

8

V/m

10

3

-12

0

6

⋅

=

⋅

=

ε

E

4

10

=

e

m

W

W

H

B

r

μ

μ

0

=

300

≈

r

μ

r

mFe

B

W

μ

μ

0

2

2

1

=

3

J/m

8

,

39

=

e

W

mFe

m

W

W

>>

MASZYNY ELEKTRYCZNE DZISIAJ

POSTĘP W TECHNOLOGII MATERIAŁÓW

MAGNESY TRWAŁE O INDUKCJI B=1.2 – 1.6 T

ZJAWISKO

MAGNETYZACJI:

PRĄDY ATOMOWE

Materiały

ferromagnetyczne:

miękkie, twarde

ELEKTRONÓW

MOMENTY:

MAGNETYCZNY

PĘDU (KRĘTU)

PODSTAWOWE PRAWA FIZYCZNE i SPRZĘŻENIA

L

+

+

u

2

2

i

1

1

Rdzeń

Uzwojenie

pierwotne

Uzwojenie

wtórne

u

1

i

2

SPRZĘŻENIE

ELEKTROMAGNETYCZNE

(TRANSFORMATOROWE)

PRAWO AMPERA

Θ

=

∫ ⋅

L

dl

H

1

Θ

2

Θ

m

Φ

WROTA PIERWOTNE

WROTA WTÓRNE

1

1

1

i

z

=

Θ

2

2

2

Θ

i

z

=

m

Φ

SPRZĘŻENIE

ELEKTROMAGNETYCZNE

(TRANSFORMATOROWE)

Φ

∇

⋅

−

∂

Φ

∂

−

=

v

t

e

PRAWO FARADAYA

1

1

1

44

,

4

z

f

E

m

Φ

=

2

1

2

44

,

4

z

f

E

m

Φ

=

STRUMIEŃ

SINUSOIDALNIE

ZMIENNY

© Mieczysław RONKOWSKI

4

TRANSFORMATOR

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTROMAGNETYCZNEJ

RUCH ELEKTRYCZNY

TRANSFORMATOR

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTROMAGNETYCZNEJ

RUCH ELEKTRYCZNY

P

P

2

2

< 0

< 0

P

1

> 0

P

1

=

=

u

1

i

1

P

2

=

=

u

2

i

2

MIEJSCE DOPŁYWU I ODŁYWU ENERGII/MOCY:

ZACISKI – WROTA ENERGETYCZNE (MOCY)

© Mieczysław RONKOWSKI

5

Ruch elektryczny

Ruch elektryczny

Ruch elektryczny

Ruch elektryczny

SPRZĘŻENIE ELEKTROMAGNETYCZNE

PRACA TRANSFORMATOROWA

SPRZĘŻENIE ELEKTROMAGNETYCZNE

PRACA TRANSFORMATOROWA

Przyczyna

Przyczyna

Skutek

Skutek

PODSTAWOWE PRAWA FIZYCZNE i SPRZĘŻENIA

+

+

o

i

2

1

i

1

2

(

)

B

v

E

F

×

+

= q

m

B

B

i

F

×

=

2

SPRZĘŻENIE

ELEKTROMAGNETYCZNO-MECHANICZNE

ELEKTROMECHANICZNE

PRAWO FARADAYA

PRAWO LORENTZA

Φ

Φ

∇

⋅

−

∂

∂

−

=

v

t

e

+

+

o

i

2

1

i

1

2

F

m

F

m

m

m

m

t

e

Φ

ω

Φ

−

∂

∂

−

=

© Mieczysław RONKOWSKI

6

MASZYNA ELEKTRYCZNA

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTROMECHANICZNEJ

RUCH ELEKTRYCZNY I RUCH MECHANICZNY

MASZYNA ELEKTRYCZNA

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTROMECHANICZNEJ

RUCH ELEKTRYCZNY I RUCH MECHANICZNY

P

1

=

P

m

=

T

m

ω

m

P

2

=

=

u

2

i

2

P

2

=P

e

=u i

Praca

prądnicowa

Źródło energii:

energia mięśni.

Energia

mechaniczna

Energia

elektryczna

© Mieczysław RONKOWSKI

13

Ruch elektryczny

Ruch elektryczny

Ruch mechaniczny

Ruch mechaniczny

SPRZĘŻENIE ELEKTROMECHANICZNE

PRACA SILNIKOWA

SPRZĘŻENIE ELEKTROMECHANICZNE

PRACA SILNIKOWA

Przyczyna

Przyczyna

Skutek

Skutek

© Mieczysław RONKOWSKI

7

MASZYNA ELEKTRYCZNA

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTROMECHANICZNEJ

RUCH ELEKTRYCZNY I RUCH MECHANICZNY

MASZYNA ELEKTRYCZNA

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTROMECHANICZNEJ

RUCH ELEKTRYCZNY I RUCH MECHANICZNY

P

2

=

=

u

2

i

2

Praca

silnikowa

P

2

=

P

m

=

T

m

ω

m

P

1

=P

e

=u i

Źródło energii:

akumulator.

Energia chemiczna

Energia elektryczna

Energia

mechaniczna

P

m

=

F

m

v

m

© Mieczysław RONKOWSKI

9

MASZYNA ELEKTRYCZNA

MIEJSCE DOPŁYWU I ODPŁYWU ENERGII:

ZACISKI – WROTA ENERGETYCZNE (MOCY)

MASZYNA ELEKTRYCZNA

MIEJSCE DOPŁYWU I ODPŁYWU ENERGII:

ZACISKI – WROTA ENERGETYCZNE (MOCY)

WROTA

ELEKTRYCZNE

WROTA

MECHANICZNE

KONIEC WAŁU

Uwaga: porównanie wymiarów wrót

elektrycznych i mechanicznych

© Mieczysław RONKOWSKI

10

MASZYNA ELEKTRYCZNA

DOPŁYW I ODPŁYW ENERGII:

ZACISKI – WROTA ENERGETYCZNE (MOCY)

MASZYNA ELEKTRYCZNA

DOPŁYW I ODPŁYW ENERGII:

ZACISKI – WROTA ENERGETYCZNE (MOCY)

WROTA

ELEKTRYCZNE

LABORATORYJNE

WROTA

ELEKTRYCZNE

STANDARDOWE

© Mieczysław RONKOWSKI

11

MASZYNA ELEKTRYCZNA

DOPŁYW I ODPŁYW ENERGII:

ZACISKI – WROTA ENERGETYCZNE (MOCY)

MASZYNA ELEKTRYCZNA

DOPŁYW I ODPŁYW ENERGII:

ZACISKI – WROTA ENERGETYCZNE (MOCY)

WROTA

MECHANICZNE

KONIEC WAŁU

NOWA KONCEPCJA

NA GENEROWANIE

ENERGII

ELEKTRYCZNEJ

CHAŁUPNICZE WYTWARZANIE ENERGII

ELEKTRYCZNEJ - ELEKTRYCZNA PRZĄDKA

CZY TO SIĘ OPŁACA?

KOSZTY ENERGII ELEKTRYCZNEJ – KOSZTY PRACY

wg IEEE Power & Energy Magazine, vol. 1, no 3, 2003 pp.17-23

Typical electricity prices are around 0.10 US$ per kWh

100 W bulb burning 24 hours, consumes 2400 Wh=2.4 kWh; cost about 0.25 US$

1hp

≅ 750W

A human in good shape can continuously work to produce about 0.75 hp

≅ 563 W

Praca z pełną mocą (fizyczną) 563 W, w sposób ciągły przez 1 godzinę, generuje energię:

W = 563⋅1 = 563 Wh = 0,563 kWh

koszt energii = 0,563⋅0,1 = 0,06 US$

In terms of electric power equivalent,

this would be worth about 0.06 US$ (

≅0.15 zł) per hour,

quite a bit below minimum wage!!!

It is now wonder that electric power revolutionized the industrial world by providing cheap
labor, the motor

.

W Gdańsku opłata za energię (dane z 2007r): 0,134 zł/kWh

0,1585

zł opłata przesyłowa zmienna za kWh

Suma = 0,2925zł/kWh +22%Vat

≅ 0.35685 zł/kWh

Jeżeli 1$

≅ 3zł to 0,35685 zł/kWh jest równoważne 0,11895 $/kWh

PODRĘCZNIKI/SKRYPTY

PODRĘCZNIKI/SKRYPTY

PUBLIKACJE E. ARNOLD’A

(1908-1914)

1. S. Roszczyk: Teoria Maszyn Elektrycznych, WNT, Warszawa, 1979.

2. Z. Manitius: Transformatory. Maszyny asynchroniczne. Maszyny synchroniczne. Maszyny prądu stałego.

Skrypty PG.

3. W. Matulewicz: Maszyny elektryczne. Podstawy. Wydawnictwo PG 2005.

4. W. Matulewicz: Maszyny elektryczne w elektroenergetyce. Wydawnictwo PWN 2005.

5. W. Latek: Teoria Maszyn Elektrycznych, WNT, Warszawa, 1982.

6. A. M. Plamitzer: Maszyny Elektryczne, WNT, Warszawa, 1976.

7. W. Rafalski, M. Ronkowski: Zadania z Maszyn Elektrycznych, cz. I, II, Skrypt PG.

8. P.C. Krause i O. Wasynczuk: Electromechanical Motion Devices, Mc Graw -Hill Book Comp., New York, 1989.

Purdue University, USA.

Witryna WWW Katedry Energoelektroniki i Maszyn Elektrycznych

z materiałami dydaktycznymi

http://wat3.ely.pg.gda.pl/maszyny/

Inne witryny www dotyczące transformat rów i maszyn elektrycznych

http://www.cantonimotor.com.pl/strona.php

http://www.abb.pl/

http://www.energoserwis.pl

http://www.jad.pl/

http://www.dtwe.pl/index_fl6.html

http://www.elhand.com.pl/start.html

MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGY (MIT)

http://www.mit.edu/

MIT's OpenCourseWare

http://ocw.mit.edu/OcwWeb/

MIT DEPARTMENT OF PHYSICS

http://ocw.mit.edu/OcwWeb/Physics/index.htm

Walter Lewin, Professor of Physics

8.02 Electricity and Magnetism, Spring 2002

http://ocw.mit.edu/OcwWeb/Physics/8-02Electricity-and-MagnetismSpring2002/CourseHome/index.htm

Walter Lewin, Professor of Physics

The Wonders of Electricity and Magnetism

http://mitworld.mit.edu/video/319/

This lecture is presented by the MIT Museum's Family Adventures in Science and Technology (FAST)

Program