Maszyny elektryczne 

 

Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W10) Szkoły Policealnej Zawodowej.

 

Podział maszyn elektrycznych 

•

 Transformatory  -  energia  prądu  przemiennego  jest  zamieniana  w 

energię prądu przemiennego o innych parametrach. 

•

 Prądnice  –  energia  mechaniczna  jest  zamieniana  w  energię 

elektryczną. 

•

 Silniki  –  energia  elektryczna  jest  zamieniana  w  energię 

mechaniczną. 

Prądnice i silniki możemy podzielić na maszyny: 

•

 prądu stałego 

•

 prądu przemiennego 

Podział maszyn prądu przemiennego: 

•

 transformatory 

•

 maszyny indukcyjne (asynchroniczne) 

•

 maszyny synchroniczne 

 

Podział maszyn prądu stałego: 

•

 szeregowe 

•

 bocznikowe 

•

 obcowzbudne 

•

 z magnesami trwałymi 

Elementy maszyn wirujących: 

•

 Magneśnica  (składa  się z  elektromagnesów  lub  magnesów  stałych, 

stanowi źródło pola magnetycznego). 

•

 Twornik  (jest  w  nim  wytwarzana  SEM  (prądnica)  lub  siły 

elektrodynamiczne (silnik). 

 

Część maszyny nieruchomą nazywamy stojanem, a wirującą nazywamy 

wirnikiem. 

Każdą maszynę charakteryzują: 

•

 napięcie znamionowe 

•

 prąd znamionowy 

•

 współczynnik mocy (maszyny prądu przemiennego) 

•

 częstotliwość znamionowa (maszyny prądu przemiennego) 

•

 moc znamionowa 

•

 sprawność 

•

 prędkość obrotowa 

•

 masa 

Transformatory. 

Służą one do zwiększania lub obniżania napięcia i prądu. 

Składają się z: 

•

 uzwojenia pierwotnego (dolnego napięcia) – cewki o liczbie zwojów 

N

DN 

(N

1

), 

•

 uzwojenia  (lub  kilku  uzwojeń)  wtórnego  (górnego  napięcia)  n- 

cewki o liczbie zwojów N

GN 

(N

2

), 

•

 rdzenia  wykonanego  z  pakietowanych  blach,  na  którym  nawinięte 

są uzwojenia. 

 

 

Transformator jednofazowy: budowa i schemat 

 

W  transformatorze  energia  jest  przenoszona  między  uzwojeniami  w 

oparciu  o  elektromagnetyczne  oddziaływanie  sprzężonych  ze  sobą 

magnetycznie uzwojeń. 

Stosunek  liczby  zwojów  transformatora  określa  nam  przekładnia 

zwojowa n

z

: 

 

Zależności  między  prądami  i  napięciami  strony  pierwotnej  i  wtórnej 

określa przekładnia napięciowa K: 

 

 

Moc po obu stronach transformatora jest taka sama i wynosi: 

S = U

1

I

1

 = U

2

I

2

 

Transformator może pracować w jednym ze stanów: 

•

 jałowym 

•

 obciążenia 

•

 zwarcia 

 

Transformatory 

mają 

wysoką 

sprawność 

energetyczną, 

nie 

przekraczającą często 1% mocy znamionowej. 

 

Transformatory trójfazowe 

 

Metody połączenia uzwojeń transformatora trójfazowego: 

a)

  gwiazda, b) trójkąt, c) zygzak 

 

Podstawowe typy transformatorów: 

•

 energetyczne 

•

 jednofazowe 

•

 autotransformatory 

•

 przekładniki prądowe i napięciowe 

•

 transformatory bezpieczeństwa (U

2

 = 24V) 

•

 transformatory separacyjne (1:1) 

   Autotransformator 

Maszyny komutatorowe prądu stałego i 

przemiennego. 

Ich charakterystycznym elementem jest komutator – pierścień złożony 

z  segmentów  wykonanych  z  materiału  przewodzącego  podzielonych 

materiałem  izolacyjnym,  umieszczonego  na  obrotowym  wale. 

Poszczególne  segmenty  komutatora  (działki)  są  połączone  z 

uzwojeniami  wirnika  maszyny.  Z  zewnętrznym  obwodem  są  one 

połączone poprzez ślizgające się po nim szczotki. 

Komutator  umożliwia  mechaniczną  zamianę  prądu  stałego  w 

przemienny i odwrotnie. 

 

Zasada działania prądnicy prądu stałego: a) z komutatorem 

dwusegmentowym, b) z komutatorem czterosegmentowym. 

 

Prądnica obcowzbudna prądu stałego 

 

Schematy połączeń prądnicy prądu stałego: a) bocznikowej,  

b) szeregowej, c) szeregowo-bocznikowej 

Silniki prądu stałego występują jako: 

•

 szeregowe 

•

 bocznikowe 

•

 szeregowo-bocznikowe 

•

 obcowzbudne 

•

 z magnesami trwałymi 

Ich schematy są zbieżne ze schematami analogicznych prądnic. 

Zmianę  kierunku  wirowania  uzyskujemy  poprzez  zamianę  polaryzacji 

uzwojenia twornika lub wzbudzenia. 

 

 

 

Charakterystyki 

mechaniczne 

silników prądu stałego:  

1 – bocznikowego,  

2 – szeregowo-bocznikowego,  

3 – szeregowego 

 

Prędkość obrotową silnika prądu stałego regulujemy poprzez: 

•

 zmianę rezystancji obwodu wirnika, 

•

 zmianę rezystancji obwodu wzbudzenia, 

•

 zmianę napięcia zasilania. 

 

Silniki komutatorowe prądu przemiennego: 

Stosowane  do  zasilania  z  sieci  jednofazowej.  Stojan  i  wirnik  są 

wykonane z blach. Posiadają duży moment rozruchowy i dużą prędkość 

obrotową. Można je zasilać również napięciem stałym. 

Silniki indukcyjne (asynchroniczne). 

Wykonywane  jako  1  i  3-fazowe.  Są  najpopularniejszymi  z  silników 

prądu zmiennego. 

Zasada  działania  opiera  się  o  wykorzystanie  wirującego  pola 

magnetycznego  uzyskanego  w  wyniku  nakładania  się  na  siebie 

zmiennych  pól  magnetycznych  wytworzonych  w  uzwojeniach  stojana. 

Pole to poprzez indukcję magnetyczną wzbudza w uzwojeniach wirnika 

przepływ prądu i „pociąga” go za sobą. Wirnik wiruje zawsze wolniej od 

pola  stojana  (asynchronizm).  Różnica  w  prędkości  wirowania  wirnika  i 

pola  stojana  w  odniesieniu  do  prędkości  pola  stojana  stanowi  tzw. 

poślizg. 

 

Silniki indukcyjne ze względu na konstrukcję wirnika dzielimy na: 

•

 klatkowe (wirnik stanowi „klatka” z prętów połączonych na końcach 

pierścieniami zwierającymi), 

•

 pierścieniowe  (wirnik  posiada  uzwojenia  wyprowadzone  na 

zewnątrz za pośrednictwem pierścieni ślizgowych. 

Uzwojenia silników mogą być połączone: 

•

 w gwiazdę, 

•

 w trójkąt. 

 

Często  podczas  rozruchu  maszyny  indukcyjnej  (najczęściej  klatkowej) 

stosuje się metodę przełączania uzwojeń: gwiazda-trójkąt. 

 

Połączenie uzwojeń w gwiazdę i w trójkąt. 

  

 

 

Wirnik klatkowy 

Wirnik pierścieniowy z 

rezystorami rozruchowymi 

 

Prędkość  obrotowa  silnika  indukcyjnego  jest  proporcjonalna  do 

częstotliwości zasilania. Zależy również od ilości par biegunów stojana. 

Nieznacznie zależy też od obciążenia silnika i jego napięcia zasilania. W 

silnikach  pierścieniowych  zależy  również  od  napięcia  na  pierścieniach 

wirnika (wartości wpiętych tam rezystorów).  

Obecnie  najpopularniejszą  metodą  jej  regulacji  jest  regulacja 

częstotliwości 

zasilania 

silnika 

indukcyjnego 

realizowana 

za 

pośrednictwem falowników energoelektronicznych. 

M

f

ω

m

 

 

Charakterystyka mechaniczna dla 

różnych częstotliwości zasilania 

silnika 

Jednofazowe silniki indukcyjne. 

Składają się ze stojana o uzwojeniu dwufazowym i wirnika klatkowego. 

Dla  jego  rozruchu  niezbędne  jest  stworzenie  kondensatorowego 

uzwojenia  rozruchowego,  w  którym  prąd  jest  przesunięty  w  fazie,  co 

pozwala na stworzenie pola wirującego i rozruch silnika. 

 

Jednofazowy silnik indukcyjny z kondensatorowym uzwojeniem 

rozruchowym (pojedynczy i podwójny kondensator) 

Maszyny synchroniczne. 

Najczęściej wykorzystywane jako generatory prądu zmiennego, rzadziej 

jako silniki.  

Wirują  zawsze  z  tą  samą  prędkością  obrotową  niezależnie  od 

obciążenia. 

Składają się z: 

•

 stojana 

•

 wirnika (z magnesami stałymi lub elektromagnesami prądu stałego) 

- z biegunami jawnymi (w maszynach o małych prędkościach) 

- z biegunami utajonymi (w maszynach szybkobieżnych) 

 

Schemat maszyny synchronicznej 

a)

 

                                                                                                b) 

 

Maszyna synchroniczna z biegunami a) jawnymi, b) utajonymi 

W  prądnicy  synchronicznej  wirnik  zasilany  prądem  stałym  obraca  się, 

wytwarzając  wokół  siebie  pole  magnetyczne  wirujące  z  taką  samą 

prędkością jak sam wirnik. Przecina ono uzwojenia stojana, indukując w 

nim zmienne SEM. Uzyskane w ten sposób napięcie można wykorzystać 

do zasilania innych odbiorników. Jego częstotliwość zależy od prędkości 

obrotowej wirnika i jest z nią ściśle zsynchronizowana. 

Prądnice 

takie 

wykorzystujemy 

głównie 

w 

elektroenergetyce 

(elektrownie).  

Mogą  one  pracować  samotnie  lub  w  pracy  równoległej  z  innymi 

generatorami  (system  elektroenergetyczny).  W  przypadku  pracy 

równoległej  konieczna  jest  synchronizacja  prądnicy  (generatora)  z 

siecią. Synchronizuje się poziom napięcia, częstotliwość i zgodność faz. 

Alternatory. 

Są to prądnice synchroniczne pracujące w pojazdach  samochodowych. 

Uzyskane  z  nich  napięcie  jest  regulowane  (poprzez  regulator  napięcia 

zmieniający  napięcie  zasilające  magnes  wirnika),  a  następnie 

prostowane i podłączone do akumulatora. 

 

Silniki synchroniczne. 

Są kłopotliwe w użyciu. Wymagają specjalnych układów rozruchowych. 

Jednocześnie  zapewniają  stałą  prędkość  niezależnie  od  obciążenia. 

Mogą być wykorzystywane do kompensacji cos ϕ. 

 

Literatura: 

J.Nowicki „Podstawy elektrotechniki i elektroniki dla ZSN”  WSiP 1999