Maszyny elektryczne - Egzamin

Strona 1 z 23

Egzamin z Maszyn

Elektrycznych - Opracowanie

1. Usytuowanie maszyn elektrycznych w procesach przemiany energii.
Energia przetwarzana jest z postaci mechanicznej w energie elektryczna .Służą do tego celu
przetworniki zwane generatorami elektrycznymi. Do przesłania tej energii na duże odległości
i rozdzielenia jej służą transformatory. Około 60% energii elektrycznej jest ponownie
przetworzona w energie mechaniczna za pomocą silników. Wszystkie przetworniki energii
wspólnie nazywamy maszynami elektrycznymi. Największe nich to generatory o mocach 500-
1200 MW silniki zaś maja moce od 20-30 MW. Większość silników i generatorów wykonuje
ruch dookoła własnej osi nieruchomej inne zaś ruch postępowy. Do wytworzenia sil
mechanicznych i elektromotorycznych wykorzystuje się pole magnetyczne.
Maszyny prądu stałego( silniki i prądnice)
Maszyny prądu przemiennego(asynchroniczne i synchroniczne)
Silniki pierścieniowe i klatkowe
Prądnice tachometryczne i generatory.
Mech>elektr (prądnice i generatory)
Elektr>mech(silniki)
Elektr>elektryczna ze zmiana napięcia i częstotliwości (przetwornice elektromaszynowe)
Maszyny specjalne(wzmacniacze, maszyny pomiarowe, prądnice tachometryczne)

2.Zjawiska fizyczne wykorzystywane w podstawowych przetwornikach
elektromechanicznych
-Prawo przepływu
Całka liniowa wektora natężenia pola magnetycznego wzdłuż krzywej zamkniętej równa jest
przepływowi obejmowanemu przez tę krzywą









dl

H

-zjawisko indukcji elektromagnetycznej (SEM)- zjawisko powstania SEM na skutek zmian
strumienia pola magnetycznego:
-zjawisko oddziaływania pola magnetycznego na przewód z prądem
Prawo indukcji Faradaya

dt

d

E







Siła Lorenza

VxB

q

F





Sila Ampera

ixB

dl

dF





Siła elektrodynamiczna



sin









l

I

B

F

e

Maszyny elektryczne - Egzamin

Strona 2 z 23

3.Rola stopów żelaza w maszynach elektrycznych
Stopy żelaza stosowane są przede wszystkim do budowy obwodów magnetycznych. Celem
tych obwodów jest stworzenie wymaganej drogi w przestrzenie dla strumienia
magnetycznego o małym natężeniu pola H. Dla ograniczenia prądów wirowych, a więc strat
energii przy polach zmiennych używa się blach o grubościach 0,3-0,7 mm. Noszą one nazwę
blach elektrotechnicznych. Żelazo wykazuje własności ferromagnetyczne (wykazują własne
spontaniczne namagnesowanie). Wszystkie materiały ferromagnetyczne wykazują efekt
nasycenia się, czyli ograniczonego wzrostu B przy powiększeniu H.

Permaloj- stop niklu 79% z żelazem 21%
4.Objętościowa gęstość energii magnetycznej w różnych środowiskach fizycznych.

W przestrzeni, w której występuje pole magnetyczne zawarta jest energia o gęstości





 

3

m

J

dV

dB

H

dW









W polu elektromagnetycznym energia przemieszcza się . Całkowitą energię oblicza się
całkując po danej powierzchni. Energia może być przetworzona na inna teoretycznie bez
strat. Większość energii zgromadzone jest w szczelinie powietrznej. Gęstość powierzchniowa
mocy: [W/m

2

] E- natężenie pola elektrycznego

5.Wyrażenie na energię sumaryczną poszczególnych elementów skupionych.

Energia ma zawsze jakiś rozklad w przestrzeni i przez to gęstość przestrzenną. W technice
jednak często interesująca jest jej sumaryczna wartość w określonej przestrzeni. Pola magn. I
elektr. Nie są formalnie ograniczone ale zawsze mozna ograniczyc obszar poza którym
energia jest pomijalna. Energia zawarta w tym obszarze związana z natężeniem pradu lub
pradów które wzbudzily to pole magnetyczne.
Rysunek: Zwojnica z prądem w powietrzu (U i B)

=l*i

Maszyny elektryczne - Egzamin

Strona 3 z 23

wirnika

kinetyczna

energia

J

W

zwojnicy

energie

na

wyrazenie

Li

L

d

L

W

k

L

























2

2

0

2

2

1

2

1

2

1

'

'

1

Sytuacja jest bardziej skomplikowana, gdy w pobliżu uzwojenia z prądem znajduje się
ferromagnetyk. Istotne jest wtedy połozenie ferromagnetyka względem uzwojenia określone
tu współrzędną x.

Energia:

Straty:
- mocy w jednym obwodzie

2

Ri

P

R



- tarcia

2





D

P

d

Moc źródła:
- elektrycznego

Ui

P

e



- mechanicznego w ruchu obrotowym (postępowym)





Fv

P

T

P

m

m







6. Koenergia w elementach skupionych i jej związek z energią.
Zależność między strumieniem a prądem przy obecności w pobliżu uzwojenia z prądem
ferromagnetyka jest w ogóle nieliniowa.
Rzeczywista relacja jest jeszcze bardziej skomplikowana, gdyż ma niejednoznaczność w
postaci histerezy. Ma to jednak drugorzędne znaczenie.
W warunkach technicznych znacznie łatwiej mierzy się i reguluje prąd I niż strumień Ψ,
dlatego prąd chętniej wybiera się za niezależną. W konsekwencji używa się alternatywnej dla
energii wielkości W` zwanej koenergią.

Dla jednego zwoju:

Z zależności Ψ(i) wynika, że W+W`= Ψ*i. Wraz ze zmianą x zmienia się też charakterystyka, a
więc i wartość W oraz W`. Przy obliczaniu cząstkowej pochodnej względem x inne zmienne
się nie zmieniają. Dla energii jest nią „Ψ”, a dla koenergii „i”.
W przetwornikach elektromechanicznych stosuje się zwykle więcej niż jedno uzwojenie. Sa
one wzajemnie powiązane polem magnetycznym, mamy więc do czynienia z układem np. 3.
Energia i koenergia całego układu zależą od wartości wszystkich strumieni częściowych i
prądów. Przyjmuje się, że relacje pomiędzy prądami a strumieniami są liniowe .Energia
całego układu jest sumą energii dostarczonej ze źródeł:
∑W

L

=

(Ψ

1

`,0,0)dΨ’

1

+

(Ψ

1

,Ψ

2

`,0)dΨ’

2

+

(Ψ

1

,Ψ

2,

Ψ

3

`)dΨ’

3

(*wskaźnik ` oznacza

zmienną bieżącą a bez niego ustaloną).

Maszyny elektryczne - Egzamin

Strona 4 z 23

Analogicznie dla koenergii: ∑W

L

’=

(i

1

`,0,0)di’

1

+

(i

1

,i

2

`,0)di’

2

+

(i

1

,i

2,

i

3

`)di’

3

Po uwzględnieniu linowej zależności strumienia od prądów: W

L

=W

L

`=1/2 (Ψ

1

i

1

+ Ψ

2

i

2

+Ψ

3

i

3

).

Używany jest też zapis macierzowy: W

L

=1/2 [i]

t

*[L]*[i].

7. Podstawowe równania równowagi w układach elektromechanicznych.
Jeżeli do ilościowego opisu przetwornika wybierzemy jako zmienne niezależne elektrycznie
prąd konkretnych obwodów, a jako zmienną mechaniczną kąt obrotu wirnika Fi to równania
równowagi dotyczą napięć i momentów. Dla dowolnych układów elektromechanicznych o
stałej strukturze napięć:

j

j

j

j

i

R

U

dt

d







. Równań jest tyle ile jest obwodów niezależnych.

Równanie momentów: d/dt(J*ω)=T

z

+T

e

-D*Ω, Moment elektromagnetyczny może być

uzyskany formułą: T

e

=dW’

L

/dFi przy i=const

8.Rola obwodów elektrycznych, magnetycznych i izolacji w przetwornikach energii.
Celem obwodów elektrycznych jest stworzenie wymaganej, niskoprądowej drogi dla prądu
elektrycznego. Celem obwodów magnetycznych jest stworzenie wymaganej drogi w
przestrzeni dla strumienia magnetycznego o małym natężeniu pola H. Celem izolacji
obwodów elektrycznych jest wyznaczenie pożądanych dróg przepływu prądu elektrycznego.
Aby ograniczyć drogę prądu używamy materiałów izolacyjnych. Są to materiały organiczne
polimery oraz mineralne jak szklo i ceramika. Są gorszymi przewodnikami ciepla co utrudnia
oddawanie strat przewodów. Uszkodzenie izolacji doprowadza do zwarcia Dla ograniczenia
prądów wirowych stosuje sie blachy elektrotechniczne o grubości 0,3-0,7 mm. Maja
powiększoną rezystywność i powierzchnie pokryte warstwa izolacji

9.Rola obudów, wałów i łożysk w maszynach elektrycznych
Łożyska maszyn o ruchu obrotowym to zwykle łożyska toczne. Bardzo duże maszyny i bardzo
małe budowane są z łożyskami ślizgowymi. Zwykle łożyska umieszczone są w tarczach
łożyskowych mocowanych do obudowy stojana. W ten sposób pozycjonowany jest wirnik
względem stojana. Duże maszyny mają osobne kozły łożyskowe. Centralną częścią wirnika
jest wał, wykonany za stali konstrukcyjnej. Musi on być odpowiednio sztywny, aby siła
magnetyczna nie doprowadziła do kontaktu wirnika ze stojanem. Typowa odległość zwana
szczeliną powietrzną wynosi ok 0,3 do 20mm. Kontakt z obwodami na wirniku realizowany
jest poprzez pierścienie metalowe osadzone na wale. Po nich ślizgają się klocki metalowo-
grafitowe zwane szczotkami.




10.Podstawowe składniki konstrukcji transformatora i ich wzajemne usytuowanie
Zasadniczymi częściami składowymi transformatora są rdzeń i uzwojenia. Rdzeń
transformatora składa się ze słupków (kolumn), na których nawinięte są uzwojenia oraz
części łączące te słupy, zwane jarzmami. Rdzeń i uzwojenia transformatorów olejowych są
zanurzone w kadzi wypełnionej olejem, który ma dobre własności izolacyjne, a jednocześnie,
ze względu na znacznie większą od powietrza przewodność cieplną, dobrze odprowadza
ciepło z uzwojeń i rdzenia.

Maszyny elektryczne - Egzamin

Strona 5 z 23

11.Obwodowy schemat zastępczy transformatora jednofazowego

12.Bieg jałowy i zwarcie-parametry decydujące o prądzie i mocy.

Bieg jałowy-stan pracy transformatora przy braku obciążenia po stronie wtornej (zaciski
rozwarte).

prąd strony wtórnej I

2

= 0

prąd strony pierwotnej I

1

= 2-5% I

1N

(prądu znamionowego strony pierwotnej), a więc jest

mały, co pozwala zaniedbać napięcia na elementach R

1

i X

1

, tj.

U

1

=E

1

+R

1

i

1

+jX

L1

i

1

≈E

1

Zmienny strumień magnetyczny



wywołuje w rdzeniu straty mocy:

Prąd I

Fe

jest w fazie z U

1

, a prąd I



wytwarzający strumień



jest prądem indukcyjnym (I



w

fazie z



).

*Prąd stanu jałowego

2

2

1



I

Fe

I

I





, przy czym składowa czynna jest znacznie mniejsza od

składowej biernej.

Maszyny elektryczne - Egzamin

Strona 6 z 23

P

0

I

0

cos



0

U

1

P

0

,I

0

,cos



0

Rys. 9.3.Charakterystyki stanu jałowego

U

1N

P

0N

I

0

Stan zwarcia- podczas zasilania jednego z uzwojeń, drugie jest zwarte. długotrwałe próby w
stanie zwarcia są możliwe tylko przy odpowiednio niskim napięciu. Charakterystyczną jego
wartością jest tzw. napięcie zwarcia, tj. takie napięcie po stronie zasilania, aby popłynęły
prądy znamionowe. Jest ono równe

1

2

)

2

'

1

(

2

)

2

'

1

(

I

X

X

R

R

z

U









lub

%

1 0 0

1 N

U

z

U

z

U



Wynosi ono zwykle 3-15%.

Próba zwarcia ma na celu wyznaczenie napięcia zwarcia i strat w miedzi uzwojeń
transformatora; z pomiarów zwarcia (pomiarowego) można obliczyć R

T

, X

T

, Z

T

.

Gdyby napięcie zasilające było znamionowe, wówczas prądy w uzwojeniach osiągnęłyby
wartość ok. 20-30 I

N

i transformator z powodu przegrzania izolacji uległby zniszczeniu

13.Zmiennosc napięcia przy obciążeniu transformatora. Wpływ charakteru odbiornika.
Stan obciążenia transformatora występuje, gdy uzwojenie pierwotne zasilamy napięciem
sinusoidalnym, a uzwojenie wtórne obciążone jest impedancją Z.
Napięcia dodają się z uwzględnieniem znaku kąta. Zmiennośc napiecia jest to odniesiony do
obwodu pierwotnego spadek napiecia wtornego przy przejsciu stanu jałowego do stanu
obciążenia znamionowego przy danym

2

cos



(jest to spadek napiecia przy obciążeniu

znamionowym)

s

U

U

U







1

2

'

jeżeli odbiornik ma charakter pojemnościowy kąt ma wartość

dodatnią i

s

U



ma wartość dodatnią, nap.

'

2

U

jest mniejsze od nap. pierwotnego. Przy

obciążeniu pojemnościowym kąt

2



ma wartośc ujemną i

s

U



ma wartość ujemną wtedy

'

2

U

ma wartość większą od nap. pierwotnego

1

U

. Przy obciążeniu pojemnościowym ze

znaczną wartością kąta

2



może nastąpić wzrost napięcia na uzwojeniach transformatora

Maszyny elektryczne - Egzamin

Strona 7 z 23

(nap. wtórne przy obciążeniu może mieć wartośc wiekszą od nap. wtórnego w stanie
jałowym.

cos



2pojemnościowy

cos



2

= 1

cos



2indukcyjny

U

2

E

2

I

2

I

2N

Rys. 9.6. Charakterystyki zewnętrzne
U

2

= f(I

2

)

14.Warunki współpracy równoległej transformatorów skutki ich nieidealnego doboru

Praca równoległa transformatorów jest dopuszczalna tylko wtedy, gdy spełnione są
następujące warunki:



równość napięć wtórnych w stanie jałowym



równość napięć zwarcia



transformatory są równomiernie obciążone



w stanie bez obciążenia, w uzwojeniach strony wtórnej nie płyną prądy



odpowiednie prądy obciążenia poszczególnych transformatorów są ze sobą w fazie



dla transformatorów wielofazowych - jednakowe grupy połączeń

Do pracy równoległej nie można załączać dowolnych transformatorów. Powinno się je tak
dobierać, by zapewniona była jak najkorzystniejsza współpraca pod względem
ekonomicznym i możliwość pełnego wykorzystania ich mocy znamionowych.

Właściwy rozdział prądów zapewnia równość procentowych napiec zwarcia. Normy
zezwalają na współpracę transformatorów, których przekładnie nie różnią się więcej niż
0,5%.Pojawienie się prądów po stronie wtórnej nieobciążonych transformatorów, oznacza
przepływ prądów wyrównawczych i powstanie zbędnych strat mocy w uzwojeniach. Przy
obciążeniu takich transformatorów nie będzie można wykorzystać mocy znamionowych
wszystkich współpracujących transformatorów. Istnieje możliwość pojawienia się prądów

wyrównawczych.

15.Budowa i charakterystyczne cechy autotransformatora
Jest to specjalny transformator posiada jedno uzwojenie spełniające jednocześnie rolę
pierwotnego i wtórnego
- sprawność większa od transformatorów ponieważ straty w uzwojeniu są mniejsze z
powodu mniejszej ilości miedzi
- znacznie mniejsze wymiary od dwuuzwojeniowego

Maszyny elektryczne - Egzamin

Strona 8 z 23

- mogą być stosowane do płynnego podnoszenia napięcia, przy rozruchu silników do
sprzęgania układów sieciowych o niezbyt różnych napięciach.

16. Budowa transformatora 3-fazowego i sprowadzenie do 1-fazy.
Można zestawić 3 transformatory 1-fazowe a ich uzwojenia połączyć w układ 3-fazowy (b
duże moce). Zwykle buduje się na wspólnym rdzeniu. Łatwiej budować układ płaski 3-5
kolumnowy. Uzwojenia każdej ze stron są łączone w gwiazdę lub trójkąt. Wszystkie
uzwojenia są sprzężone magnetycznie. Równanie napięciowe dla każdego uzwojenia ma
postać:

. Zakładamy linowość:

, k,j=1a,1b,1c,2a,2b,2c.

Uzwojenia każdej ze stron są łączone w gwiazdę lub trójkąt.
Dla przypadku symetrycznego układu napięć zasilających można transformator 3-fazowy
sprowadzić do jednej fazy. Używając prądów i napięć fazowych możemy korzystać ze
schematu jak dla 1 fazy. Należy pamiętać: Lμ jest 3/2 razu większa niż dla 1-fazy. Pomiar
parametrów też należy realizować przy 3-fazowym symetrycznym zasilaniu, za moc jednostki
przyjmuje się max moc poszczególnych uzwojeń.

17. Możliwość wytwarzania pola magnetycznego ruchomego i cel.
Aby wytworzyć pole magnetyczne wirujące potrzebne jest uzwojenie wielofazowe
(najczęściej trójfazowe) odpowiednio rozmieszczone na obwodzie stojana maszyny. W
każdej chwili suma strumieni poszczególnych faz uzwojenia daje wektor wypadkowy o stałej
wartości wirujący wokół maszyny. Celem wytwarzania pola wirującego jest zmuszenie
wirnika maszyny do ruchu.

18. Podstawowe schematy budowy maszyny synchronicznej 3-fazowej.
Wykorzystywane są jako generatory prądu zmiennego, rzadziej jako silniki. Wirują zawsze z
tą samą prędkością obrotową niezależnie od obciążenia. Składają się ze stojana i wirnika(z
magnesami stałymi lub elektromagnesami prądu stałego).Stojan załączony jest do sieci

Maszyny elektryczne - Egzamin

Strona 9 z 23

trójfazowej prądu przemiennego. Maszyny synchroniczne buduje się jako 3-fazowe.
Uzwojenie twornika jest w stojanie, a elektromagnesy w wirniku. Magnesy wytwarzają
strumień magnetyczny przechodzący przez wirnik i stojan. Dzięki ukształtowaniu
nabiegunników i ułożeniu uzwojenia magnesującego otrzymuje się sinusoidalny rozkład
indukcji magnetycznej wzdłuż obwodu maszyny.
Jeżeli do uzwojenia twornika jest dołączona impedancja odbiornika to przez uzwojenie płynie
prąd trójfazowy. Maszyna synchroniczna pracuje jako prądnica synchroniczna. Płynący przez
uzwojenie 3-fazowy prąd wytwarza pole wirujące z prędkością n=60f/p, a więc taka sama
prędkość z jaka wiruje strumień magnesów względem nieruchomych uzwojeń. Ze względu na
budowę dzielą się na maszyny z biegunami:
-utajonymi: prędkość obrotowa n=3000, liczba par biegunów p=1, najczęściej są to
generatory napędzane przez turbiny parowe. Wirnik wykonany jest w kształcie walca,
-wydatnymi: prędkość obrotowa n<1500, liczba par biegunów p>2, przy małej prędkości
obrotowej dopuszczalne są duże średnice (bez obawy narażenia na rozerwanie), są to
maszyny o dużych średnicach i małych długościach.
Konstrukcja stojanów musi zapewnić odpowiednią wytrzymałość i sztywność. Nie ma różnic
budowy (od asynchronicznych) natomiast w turbogeneratorach wyraźne różnice w
uzwojeniach; są zawsze 2-warstwowe, a cewki jednozwojne co jest wymuszone dużym
strumieniem magnetycznym, pręty z jakich wykonane są cewki są dzielone na kilka
składowych. Mają duży przekrój poprzeczny i są odizolowane od siebie i przeplatane.

19.Zastosowanie maszyn synchronicznych w przetwarzaniu energii.
Są to głównie generatory napędzane turbinami parowymi zwane turbogeneratorami.
Napędzane turbinami wodnym nazywane są hydrogeneratorami- prędkości małe.
Budowane są tez silniki zwykle średniej lub dużej mocy o różnej prędkości. Prędkość maszyny
synchronicznej jest stała ściśle związana z częstością napięcia zasilania. możliwość
regulowania współczynnika mocy w silniku synchronicznym może służyć do kompensacji
mocy biernej.

20. Sposób transformacji zmiennych dla jawnobiegunowej maszyny synchronicznej.

Maszyny elektryczne - Egzamin

Strona 10 z 23

Osie magnetyczne wirnika z biegunami wydatnymi:
kierunek i zwrot osi d jest zgodny z kierunkiem i zwrotem strumienia magnetycznego
wywołanego prądem wzbudzenia. Kierunek osi q obrócony jest o 90 stopni elektrycznych w
kierunku przeciwnym do kierunku wirowania wirnika. Osie d i q są nieruchome względem
wirnika wirują razem z min. Parametry maszyny po sprowadzeniu do osi d i q stają się stałe.
Moment: (transformacja Parka)

















3

2

240

sin

120

sin

sin

240

cos

120

cos

cos

2

1

2

1

2

1



































































T

Zachodzi związek T T

t

=1.

Nowe zmienne i wymuszenia:

sp

q

d

q

d

i

i

i

i

i

i

i

T

U

U

U

U

U

U

T





























































































0

3

2

1

0

3

2

1

,

21. Układ obwodów zastępczych maszyny synchronicznej sprowadzonych do wirnika.
Oznaczenia: R

s,w

- rezystancja stojana, wirnika

Taki układ równań można zinterpretować w formie sprzężonych obwodów:

Maszyny elektryczne - Egzamin

Strona 11 z 23

22. Równania napięciowe dla maszyny synchronicznej i wyrażenie momentowe.
Równania napięciowe:

p-il. Par biegunów

23. Równania napięciowe dla maszyny synchronicznej i wyrażenie momentowe w stanie
ustalonym.
W stanie ustalonym napięcie wirnika jest stałe w czasie, co pozwala przewidzieć, ze prądy
i

d

,i

q

,i

w

też będą stałe w czasie. Równania silnika zredukują się do:

Maszyny elektryczne - Egzamin

Strona 12 z 23

24. Wzajemny układ wirnika i uzwojeń dla silnika i generatora.

25. Wykres wskazowy dla generatora cylindrycznego i silnika jawnobiegunowego.

Maszyny elektryczne - Egzamin

Strona 13 z 23

26. Charakterystyka biegu jałowego i zwarcia generatora synchronicznego

I

w

-prąd wzbudzenia

27. Charakterystyki zewnętrzna i regulacji generatora synchronicznego.
Charakterystyka zewnętrzna – określa zmiany napięcia na zaciskach uzwojenia twornika w
zależności od zmian wartości prądu obciążenia, przy zachowaniu stałej prędkości obrotowej,
stałego współczynnika mocy oraz stałej wartości prądu wzbudzenia.
Charakterystyka regulacyjna – podaje jak należy regulować prąd wzbudzenia, aby przy
zmianach prądu obciążenia utrzymać stałe napięcie (U=const) na zaciskach prądnicy, przy
zachowaniu współczynnika mocy oraz stałej prędkości oborowej. Przy pracy wirnikowej
wskazuje także prąd wzbudzenia silnika synchronicznego aby przy zmianach prądu
obciążenia tak aby zachować współczynnik mocy i U=const, f=const, n=const.

Maszyny elektryczne - Egzamin

Strona 14 z 23

28. Parametry stosunkowe X maszyny synchronicznej i zakres zmienności.
Zmienne stosunkowe odnosi się do napięcia nominalnego, a prądy do prądu nominalnego I

n

.

napięcie względne: U

r

=U/U

n

; prąd względny: I

r

=i/I

n

; względna reaktancja stosunkowa:

X

r

=X/X

n.

Wartości parametrów stosunkowych X

r

:

Jawnobiegunowa z klatką: X

dr

0,8:1,7 / X

qr

0,5:1,0

Turbogenerator: X

dr

1,5:2,3 / X

qr

~0,9X

dr

Zaletą jest to że przy różnej budowie parametry stosunkowe zmieniają się nieznacznie

29. Podstawowy schemat maszyny i indukcyjnej 3-fazowej.
Zasilanie jednej ze strony i wykorzystanie efektu indukowania się prądów w zamkniętym
obwodzie drugiej strony, gdy porusza się względem pola.
Nieruchomy elektromagnes (zasilany prądem stałym) wytwarza siłę hamującą przewodzącą
tarczę, gdy się ona obraca. Prądy w litym materiale tarczy zwane są prądami wirowymi.
Gdy elektromagnes będzie się obracał dookoła osi tarczy, wytwarzany moment przyciągnie
tarczę. Jest to sprzęgło indukcyjne.
Maszyna indukcyjna wykorzystuje ruchowe pole magnetyczne wytworzone przez
nieruchome uzwojenie (stojana), które jest sprzężone ze zwartymi obwodami wirnika,
ruchome pole można wytworzyć uzwojeniem rozmieszczonym co 120

o

(dla liczby par

biegunów p=1). Wirnik może być 3-fazowo uzwajany (m.pierścieniowa) lub ze zwartą klatką
(m.klatkowa)

30. Transformacja zmiennych S doprowadzająca do uroszczenia równań.
Uproszczenie postaci równań uzyskuje się transformując zmienne z zastosowaniem
transformacji S

Maszyny elektryczne - Egzamin

Strona 15 z 23



2

3

2

2

;

1

1

1

1

1

3

1

j

e

a

a

a

a

a

S

























31. Sposób sprowadzania zmiennych wirnikowych do stojana i interpretacja.
Należy przeliczyć zmienne przez przekładnię.

uzwojenia

k

wspóczynni

k

zwojów

liczba

z

k

z

k

z

w

w

s

s









Nowe zmienne wirnikowe i parametry.

w

w

w

w

w

w

w

w

L

L

R

R

u

u

i

i













2

2

'

;

'

'

;

1

'











Gdy nieistotny jest czasowy przebieg zmiennych wirnikowych to wygodnie jest wprowadzić
nowe zmienne.









j

I

w

I

j

I

w

I

e

U

U

oraz

e

i

i

'

'





32. Schemat zastępczy obwodowy maszyny indukcyjnej w stanie ustalonym.

33. Wyrażenie określające moment elektromagnetyczny maszyny indukcyjnej.

 

 



































2

2

2

1

0

'

'

3

zw

s

s

w

w

s

s

e

X

R

c

s

R

s

R

c

U

p

T



Maszyny elektryczne - Egzamin

Strona 16 z 23

Poślizg s- w maszynie ind. To różnica między prędkością obrotową wirnika n a prędkością
synchroniczną n

s

wynikająca z liczby par biegunów i częstotliwości prądu zasilającego.

Wzór Klossa:

Te=

s

k

=s(

)

Tk- m. krytyczny

34. Zależność mocy, prądu, sprawności od prędkości maszyny indukcyjnej.

Cos tu trzeba dorysować.

35. Możliwość wyliczenia parametrów maszyny indukcyjnej z danych.
Schemat do obliczeń danych (łatwiejsze obliczenie danych z biegu jałowego i zwarcia)
identyfikacja metodą dopasowania charakterystyk prądowych lub momentowych nie
wymaga uproszczeń charakterystyki. Potrzebne jest odpowiednie oprogramowanie i sprzęt
komputerowy.
T

n

=P

n

30/n

n



, Tm=pmTn,

ω=n

n

Π/30

0

1

2

3

4

5

6

7

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

I [A]

ω [obr/min]

ω(I)

Maszyny elektryczne - Egzamin

Strona 17 z 23





2

1

sin

2

1

'

'

8

,

0

2

3

1

;

0

0

'

0

2

2

2

0

0





























n

n

z

w

s

w

s

z

k

w

m

s

n

z

m

m

n

k

n

n

n

I

I

I

U

X

X

X

X

R

R

X

s

R

T

c

pU

X

p

p

s

s

p

s

z

p























36. wpływ parametrów zasilania na charakterystyki maszyny indukcyjnej.
U

s

- zmiana T

m

kwadratowa, liniowa prądu,

f

0

- zmiana

liniowo, Sk odwrotnie

fazy - zmiana znaku

R

w

- zmiana s

k

liniowo, zmniejszenie prądu

X

z

- zmiana s

k

i Tm odwrotnie

R

S

- spadek T

m1

, wzrost T

m2,

prąd niewiele

U

W

- przesunięcie charakterystyki na osi



37. Podstawowe schematy budowy maszyny komutatorowej
Idea budowy:Pierwsze konstrukcje miały uzwojenie na powierzchni wirnika. Siła: F=B*i*l
SEM: E=B*v*l. Kierunek prądu w zwoju zależy od położenia wirnika

Maszyny elektryczne - Egzamin

Strona 18 z 23

1- bieg główny 2-uzwojenie biegu głównego 3- bieg komutacyjny 4-uzwojenie biegu
komutacyjnego 5- uzwojenie twornika w żłobku 6- szczotka 7-twornik 8- komutator 9-
jarzmo(obudowa stojana) d- oś podłużna, q- oś poprzeczna

38. Budowa i efekt działania komutatora.
Maszyny

komutatorowe

stosowane

są

jako:

generatory,

silniki

napięcia

stałego(podstawowe), silniki do napięcia przemiennego(gosp.domowe) i jako mikrosilniki i
silniki wykonawcze(układy automatyki). Maszyny dużych mocy mają często uzwojenie
kompensacyjne umieszczone w żłobkach, wykonywanych w nabiegunnikach biegunów
głównych.
Z komutatorem współpracują szczotki, tworzy sie więc ruchomy zestyk miedź-szczotka, przez
który przepływają różne prądy. Proces przewodzenia pradu przez taki zestyk jest nazywany
procesem kolekcji, natomiast zjawiska towarzyszące zmianom prądów w cewkach
połaczonych z działkami komutatora nazywamy komutacją. Komutacja jest ściśle związana z
pracą zestyku szczotkowego. Związane z nią przebiegi elektromagnetyczne sprawiają, że
zestyk szczotkowy często wykazuje tendencje do iskrzenia. Przy projektowaniu maszyny
przewiduje się różne metody zapobiegania temu zjawisku. Zadaniem komutatora jest
przełączanie kierunku przepływu prądu w uzwojeniach tak aby oddziaływanie z polem
magnetycznym stojana wprawiło wirnik w ruch obrotowy.

Maszyny elektryczne - Egzamin

Strona 19 z 23

39. Układ podstawowych obwodów w zastępczych w maszynie komutatorowej.

Symetria układu pozwala na uproszczenie: I=I

1

+I

2

i

k

=i

k

’+i

k

”

Otrzymujemy obwody maszyny:

40. Równania napięciowe maszyny komutatorowej.
Wirnik – 1 Twornik-2,3

W stanie ustalonym:























































wt

t

w

e

t

t

t

wt

w

t

t

w

w

w

w

w

M

i

i

T

U

i

R

M

i

i

dt

d

L

U

i

R

i

dt

d

L

 

 

w

t

em

w

t

t

t

w

w

w

Mi

i

T

Mi

i

R

U

i

R

U











Maszyny elektryczne - Egzamin

Strona 20 z 23

41.Charakterystyki ruchowe silników komutatorowych obcowzbudnych.
Charakterystyka biegu jałowego prądnicy jest linia prosta ale w wyniku nasycenia i
wystapienia sily elektromotorycznej remanentu Ear oraz zjawiska histerezy magnetycznej
zakrzywi sie nieznacznie.

Maszyny elektryczne - Egzamin

Strona 21 z 23

Maszyny elektryczne - Egzamin

Strona 22 z 23

Zależność pr. Obrotowej od prądu wzbudzenia silnika obcowzbudnego

42.Równania napięciowe i własności silników komutatorowych szeregowych.
Taki silnik charakteryzuje się dużą zależnościa prędkości obrotowej od obciążenia
zmniejszenie obciążenia powoduje wzrost prędkości (teoretycznej do nieskończoności) i
grozi to rozbieganiem silnika dlatego nie włącza się ich bez obciążenia, posiadają moment
rozruchowy.

Duża zmienność obrotów z obciążeniem. Dla małych obciążeń istnieje groźba ”rozbiegnięcia
się”. Zmiana kierunku obrotów jest tylko zmianą wzajemnego połączenia twornika i
wzbudzenia.
43.Budowa i własności silników komutatorowych uniwersalnych
Są to silniki prądu zmiennego. Rdzeń wykonany w formie pakietów z cienkich blaszek .Taki
silnik moze byc zasilany pradem zmiennym i stalym .Tego typu silniki są stosowane w
sprzecie gospodarstwa domowego oraz w elektornarzedziach. W silniku takim, zasilanym
napięciem przemiennym, prąd zmienia się periodycznie, równocześnie w uzwojeniu twornika
i uzwojeniu wzbudzenia, zatem kierunek działania momentu pozostaje nie zmieniony.
Różnica konstrukcyjna między zwykłym silnikiem szeregowym prądu stałego a silnikiem

Maszyny elektryczne - Egzamin

Strona 23 z 23

uniwersalnym polega na tym, że zarówno wirnik, jak i obwód magnetyczny stojana są
wykonane w całości z blach magnetycznych.
Spis treści:
1. Usytuowanie maszyn elektrycznych w procesach przemiany energii.
2.Zjawiska fizyczne wykorzystywane w podstawowych przetwornikach
elektromechanicznych
3.Rola stopów żelaza w maszynach elektrycznych
4.Objętościowa gęstość energii magnetycznej w różnych środowiskach fizycznych.
5.Wyrażenie na energię sumaryczną poszczególnych elementów skupionych.
6. Koenergia w elementach skupionych i jej związek z energią.
7. Podstawowe równania równowagi w układach elektromechanicznych.
8.Rola obwodów elektrycznych, magnetycznych i izolacji w przetwornikach energii.
9.Rola obudów, wałów i łożysk w maszynach elektrycznych
10.Podstawowe składniki konstrukcji transformatora i ich wzajemne usytuowanie
11.Obwodowy schemat zastępczy transformatora jednofazowego
12.Bieg jałowy i zwarcie-parametry decydujące o prądzie i mocy.
13.Zmiennosc napięcia przy obciążeniu transformatora. Wpływ charakteru odbiornika.
14.Warunki współpracy równoległej transformatorów skutki ich nieidealnego doboru
15.Budowa i charakterystyczne cechy autotransformatora
16. Budowa transformatora 3-fazowego i sprowadzenie do 1-fazy.
17. Możliwość wytwarzania pola magnetycznego ruchomego i cel.
18. Podstawowe schematy budowy maszyny synchronicznej 3-fazowej.
19.Zastosowanie maszyn synchronicznych w przetwarzaniu energii.
20. Sposób transformacji zmiennych dla jawnobiegunowej maszyny synchronicznej
21. Układ obwodów zastępczych maszyny synchronicznej sprowadzonych do wirnika.

22. Równania napięciowe dla maszyny synchronicznej i wyrażenie momentowe.
23. Równania napięciowe dla maszyny synchronicznej i wyrażenie momentowe
24. Wzajemny układ wirnika i uzwojeń dla silnika i generatora.
25. Wykres wskazowy dla generatora cylindrycznego i silnika jawnobiegunowego.
26. Charakterystyka biegu jałowego i zwarcia generatora synchronicznego
27. Charakterystyki zewnętrzna i regulacji generatora synchronicznego.
28. Parametry stosunkowe X maszyny synchronicznej i zakres zmienności.
29. Podstawowy schemat maszyny i indukcyjnej 3-fazowej.
30. Transformacja zmiennych S doprowadzająca do uroszczenia równań.
32. Schemat zastępczy obwodowy maszyny indukcyjnej w stanie ustalonym.
31. Sposób sprowadzania zmiennych wirnikowych do stojana i interpretacja.
33. Wyrażenie określające moment elektromagnetyczny maszyny indukcyjnej.
34. Zależność mocy, prądu, sprawności od prędkości maszyny indukcyjnej.
35. Możliwość wyliczenia parametrów maszyny indukcyjnej z danych.
36. wpływ parametrów zasilania na charakterystyki maszyny indukcyjnej.
37. Podstawowe schematy budowy maszyny komutatorowej
38. Budowa i efekt działania komutatora.
39. Układ podstawowych obwodów w zastępczych w maszynie komutatorowej.
40. Równania napięciowe maszyny komutatorowej.
41.Charakterystyki ruchowe silników komutatorowych obcowzbudnych.
42.Równania napięciowe i własności silników komutatorowych szeregowych.
43.Budowa i własności silników komutatorowych uniwersalnych