Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Maszyny i urzÄ…dzenia
elektryczne - wprowadzenie
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Ogólne wiadomości o maszynach elektrycznych
Maszyna elektryczna jest to urządzenie elektryczne słu\
Ä…ce do
przetwarzania energii. CechÄ… charakterystycznÄ… maszyn elektrycznych
jest to, \
e zachodzÄ…ce w nich przemiany energii odbywajÄ… siÄ™ za
pośrednictwem pola magnetycznego i przy udziale ruchu.
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Podział maszyn elektrycznych
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Podział maszyn elektrycznych
Ze względu na ró\
nice konstrukcyjne maszyny elektryczne dzielimy na:
 maszyny elektryczne wirujÄ…ce,
 maszyny elektryczne liniowe,
 transformatory  przetwarzanie energii odbywa się bez udziału ruchu.
Ze względu na rodzaj przetwarzanej energii maszyny wirujące dzielimy na:
 silniki,
 prÄ…dnice,
 przetwornice.
Ze względu na rodzaj prądu maszyny elektryczne dzielimy na:
 maszyny prądu stałego,
 maszyny prÄ…du przemiennego:
a) jednofazowe,
b) wielofazowe.
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Podział maszyn elektrycznych
Maszyny prądu stałego, ze względu na sposób zasilania uzwojenia
wzbudzenia, dzielimy na:
 obcowzbudne,
 samowzbudne:
a) bocznikowe,
b) szeregowe,
c) szeregowo-bocznikowe.
Maszyny prÄ…du przemiennego dzielÄ… siÄ™ na:
 synchroniczne,
 asynchroniczne (indukcyjne),
 komutatorowe
a) jednofazowe,
b) trójfazowe.
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Podstawowe zjawiska fizyczne występujące w maszynach
elektrycznych
Najwa\
niejszymi zjawiskami związanymi z działaniem maszyn
elektrycznych sÄ…:
- zjawiska elektromagnetyczne,
- zjawiska indukcji elektromagnetycznej,
- zjawiska elektrodynamiczne,
- zjawiska cieplne.
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Regułą śruby prawoskrętnej  pole magnetyczne wokół przewodu z
prÄ…dem.
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Linie pola magnetycznego wytworzonego przez prąd płynący w
cewce  reguła prawej ręki
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Reguła lewej dłoni
Na przewód z prądem umieszczony w polu magnetycznym działa
siła F. jej kierunek działania jest prostopadły do kierunku przepływu prądu i
kierunku pola magnetycznego. Siła ta wypycha przewód z pola
magnetycznego i zwana jest siłą Lorentza.
F = B Å" I Å"l
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Reguła lewej dłoni
F = B Å" I Å"l
F  siła
B  indukcja magnetyczna
I  prÄ…d
L  długość przewodnika na
który oddziałuje pole
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Powstanie momentu siły
Ramka przewodzÄ…ca prÄ…d umieszczona w polu magnetycznym wzbudza
własne pole magnetyczne. Pole to współdziała z pole magnetycznym magnesu i
powstaje pole magnetyczne wypadkowe powodujÄ…c ruch obrotowy ramki do
momentu kiedy linie pola magnetycznego będą miały ten sam kierunek.
Chcą uzyskać stały obrót nale\
y zastosować komutator  urządzenie
zmieniające kierunek przepływu prądu.
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Indukcja elektromagnetyczna
W 1831 r. Michael Faraday odkrył zjawisko indukcji elektromagnetycznej i
sformułował prawo :  Zjawisko indukcji elektromagnetycznej polega na
powstawaniu napięcia indukowanego lub inaczej SEM w uzwojeniu przy
jakiejkolwiek zmianie strumienia magnetycznego skojarzonego z
uzwojeniem
Przypadki zjawiska indukcji elektromagnetycznej:
- indukowanie siły elektromotorycznej w przewodzie poruszającym się w polu
magnetycznym  siła elektromotoryczna rotacji,
- indukowanie siły elektromotorycznej w cewce (przewodzie) na skutek zmian prądu
w niej płynącego nazywane zjawiskiem indukcji własnej lub samoindukcji  siła
elektromotoryczna indukcji własnej, samoindukcji,
- indukowanie siły elektromotorycznej w cewce na skutek zmian prądu w innej cewce
sprzÄ™\
onej magnetycznie z cewkÄ… rozpatrywanÄ… nazywane zjawiskiem indukcji
wzajemnej  siła elektromotoryczna indukcji wzajemnej lub transformacji.
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Zjawisko indukcji elektromagnetycznej.
Zjawisko indukcji
elektromagnetycznej polega
na indukowaniu siÄ™ SEM w
przewodzie poruszajÄ…cym siÄ™
w polu magnetycznym lub w
zamkniętym obwodzie
obejmujÄ…cym zmienny w
czasie strumień magnetyczny.
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Indukcja wzajemna cewek
Dwie cewki uło\
one względem siebie w taki sposób, \
e pole
magnetyczne jednej z nich przenika choćby częściowo cewkę drugą,
nazywany cewkami sprzÄ™\
onymi magnetycznie,.
Je\
eli w jednej ze sprzÄ™\
onych cewek zmienia się wartość prądu,
to w drugiej indukuje się SEM i na odwrót. Zjawisko to nazywany indukcją
wzajemnÄ….
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Obwody magnetyczne
Magnetowody obwodów magnetycznych najczęściej wykonuje się z
materiałów ferromagnetycznych, które mają zdolność skupiania
strumienia magnetycznego. Dzięki temu występuje mały strumień
rozproszenia.
Obwód magnetyczny Obwód magnetyczny rozgałęziony
nierozgałęziony ze szczelina ze szczelina powietrzną
powietrznÄ…
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Zjawiska cieplne w maszynach elektrycznych
Przepływowi prądu elektrycznego towarzyszy zawsze zjawisko
wydzielania siÄ™ energii cieplnej. Dla maszyn jest to zjawisko
niepo\
Ä…dane, gdy\
powoduje nagrzewanie siÄ™ maszyny i zmniejszenie
jej sprawności.
y
ródła 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 Å‚o\
yskach i szczotek o komutator lub pierścienie ślizgowe.
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Straty w maszynach elektrycznych
Straty mocy występujące w maszynach elektrycznych mo\
na podzielić na
4 grupy:
1) straty mocy w uzwojeniach "PCu = RCu·I2  obciÄ…\
eniowe straty mocy,
powstają podczas przepływu prądu w uzwojeniach  straty zmienne;
2) straty mocy w rdzeniu "PFe  wiroprÄ…dowe "Pw = cwB2·f2 (wywoÅ‚ane
przez prÄ…dy wirowe powstajÄ…ce w przewodniku znajdujÄ…cym siÄ™ w
zmiennym polu magnetycznym) i histerezowe "Ph = ch·B2·f (powstajÄ…ce
podczas przemagnesowywania rdzenia a związane z niejednoznacznością
charakterystyki magnesowania)  jałowe straty mocy, straty stałe;
3) mechaniczne straty mocy "Pm  powstajÄ…ce wskutek tarcia w
Å‚o\
yskach, tarcia szczotek o komutator lub pierścienie ślizgowe, tarcie
części wirujących o powietrze lub inny czynnik chłodzący  straty stałe;
4) dodatkowe straty mocy "Pd  występujące w dielektryku znajdującym
siÄ™ w zmiennym polu elektrycznym.
"P = "PCu + "PFe + "Pm + "Pd
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Sprawność maszyn elektrycznych
Pod pojęciem sprawności nale\
y rozumieć stosunek wielkości u\
ytecznej
do wielkości dostarczonej tego samego rodzaju.
Dla maszyn elektrycznych sprawnością nazywamy stosunek mocy
czynnej wydanej przez maszynÄ™ P do mocy czynnej pobranej Pin
(dostarczonej).
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Sprawność maszyn elektrycznych
Poniewa\
część strat zale\
y od obciÄ…\
enia, sprawność maszyny nie jest
stała i zmienia się przy zmianie obcią\
enia.
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Sprawność maszyn elektrycznych
Straty mocy w maszynach sa nieznaczne w stosunku do mocy
przetworzonej dlatego sprawność maszyn elektrycznych w porównaniu ze
sprawnością innych maszyn (np. Spalinowych) jest bardzo du\
a i w
znacznym stopniu zale\
y od mocy maszyny:
" dla maszyn najwiÄ™kszych mocy · = 0,97 ÷ 0,99
" dla maszyn Å›redniej i maÅ‚ej mocy · = 0,8 ÷ 0,9
" dla mikromaszyn (o mocy kilku watów) · = 0,2 ÷ 0,3
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Nagrzewanie siÄ™ maszyn elektrycznych
Straty mocy sa z
ródłem wydzielającego się ciepła
Krzywa nagrzewania maszyny
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Stygnięcie maszyn elektrycznych
Krzywa stygnięcia maszyny
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Nagrzewanie się i stygnięcie maszyn elektrycznych
Nagrzewanie maszyny mo\
na zmniejszyć poprzez:
" zmniejszenie strat "PCu, "PFe, "Pm, "Pd
" powiększenie powierzchni chłodzenia
" wzmo\
enie intensywności chłodzenia
Je\
eli warunki chłodzenia w maszynie ulegają pogorszeniu, a
nie chcemy przy tym dopuścić do wzrostu temperatury maksymalnej, to
nale\
y odpowiednio zmniejszyć obcią\
enie maszyny
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Rodzaj pracy maszyn el.
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Rodzaj pracy maszyn el.
Praca ciągła  S1  jest to praca z obcią\
eniem o stałej wartości, trwającym
tak długo , \
e maszyna osiąga stan równowagi cieplnej, przyrost temp.
części maszyny nie zmienia się więcej ni\
2ºC w ciÄ…gu godziny
Praca dorywcza  S2  jest to praca ze stałym obcią\
eniem trwajÄ…cym
przez określony czas oraz następującym póz
niej postojem trwajÄ…cym tak
długo, a\
maszyna stanie siÄ™ praktycznie zimna.
Praca okresowa  S3 ÷ S8  jest to praca przy obciÄ…\
eniu powtarzajÄ…cym
siÄ™ okresowo, przy czym ka\
dy z okresów obejmuje czas pracy przy
obciÄ…\
eniu o stałej wartości oraz czas postoju
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Tabliczka znamionowa maszyn elektrycznych
Ka\
da maszyna el. powinna mieć tabliczkę znamionowa umocowana na
stałe w widocznym miejscu, posiadającą wykaz podstawowych danych
znamionowych ustalonych dla danej maszyny podanych przez producenta.
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Podstawowe parametry znamionowe maszyn elektrycznych
1) Moc znamionowa PN  moc, jakÄ… maszyna mo\
e wydać bez
przekroczenia dopuszczalnej temperatury nagrzania,
2) Napięcie znamionowe UN
3) PrÄ…d znamionowy IN
4) Znamionowa prędkość obrotowa nN
5) Moment znamionowy silnika MN
6) Znamionowy współczynnik mocy cosÕN
7) Sprawność znamionowa ·N
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Podstawowe parametry znamionowe maszyn elektrycznych
8) Stopień ochrony IP
9) Rodzaj pracy S1 ÷ S10
10) Częstotliwość znamionowa fN
11) PrzeciÄ…\
alność znamionowa  stosunek momentu krytycznego do
momentu znamionowego
12) Poślizg znamionowy sN
13) Znamionowe straty mocy
14) PrÄ…d rozruchowy znamionowy
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Stopnie ochrony IP
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Stopnie ochrony IP
Najczęściej stosowane stopnie ochrony maszyn wirujących
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Zjawiska niekorzystne towarzyszÄ…ce pracy maszyn
1. Prądy wirowe. Płyną pod wpływem napięć, które indukują się we
wszystkich materiałach przewodzących objętych zmianą strumienia
magnetycznego , a więc zarówno w cienkich przewodach u\
ywanych
na uzwojenia jak i masywnych elementach stanowiących obwód
magnetyczny lub obudowÄ™ maszyny.
2. Drgania. Mogą być pochodzenia mechanicznego (złe wywa\
enie),
elektromagnetycznego (asymetria obwodu magnetycznego),
wentylacyjnego (burzliwy przepływ czynnika chłodzącego). Na skutek
nadmiernych drgań ulegają uszkodzeniu elementy maszyn np.
Å‚o\
yska. Drgania którym poddany jest organizm człowieka powoduja
zmiany patologiczne (zakłócenia zmysłu równowagi, wzroku, trwałe
uszkodzenie organów wewnętrznych). Z tego powodu określa się
dopuszczalny poziom drgań.
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Zjawiska niekorzystne towarzyszÄ…ce pracy maszyn
3. Hałas. W maszynach elektrycznych hałas jest spowodowany
przyczynami elektromagnetycznymi (pole przemienne  wy\
sze
harmoniczne), mechanicznymi (praca Å‚o\
ysk, wentylatora, szczotek)
4. Zakłócenia radioelektryczne. To napięcia, prądy lub pola
elektromagnetyczne wielkiej częstotliwości towarzyszące pracy
maszyn, a utrudniajÄ…ce lub uniemo\
liwiające odbiór radiowy lub
telewizyjny.
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Obsługa maszyn elektrycznych
W celu ograniczenia zagro\
eń wynikających z obsługi maszyn el.
nale\
y dopilnować aby:
- maszyny powinny być zbudowane i zainstalowane zgodnie z
zasadami wiedzy i wymaganiami przepisów budowy urządzeń el.
- Maszyny powinny być prawidłowo eksploatowane (konserwacja,
naprawy, badania itp.) zgodnie z odpowiedniki przepisami.
- Osoby eksploatujące maszyny el. powinny mieć świadomość, \
e
praca ta wymaga szczególnej ostro\
ności i uwagi, powinny te\
znać
zasady organizacji pracy oraz wymagania ustalone obowiÄ…zujÄ…cymi
przepisami w zakresie BHP
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Materiały stosowane do budowy maszyn elektrycznych
Rozwa\
ając materiały wykorzystywane do budowy maszyn elektrycznych
ze względu na spełniana przez nie w maszynie funkcję, rozró\
niamy:
- Materiały przewodzące (materiały obwodu elektrycznego)
- Materiały magnetyczne
- Materiały elektroizolacyjne
- Materiały konstrukcyjne
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Materiały przewodzące
Przewodnik jest to materiaÅ‚, którego rezystywność (w temperaturze 20°C)
wynosi Á d" 106 &!·m. Cecha charakterystycznÄ… materiałów przewodzÄ…cych
jest ich du\
a konduktywność (przewodność elektryczna)
W maszynach elektrycznych z materiałów przewodzących wykonuje się
uzwojenia z drutu lub prętów.
W maszynach elektrycznych najczęściej wykorzystywanymi
przewodnikami sÄ… miedz
, aluminium i węgiel (grafit)
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Materiały przewodzące  miedz
i stopy
Wa\
niejsze właściwości miedzi:
- bardzo du\
a przewodność elektryczna,
- du\
a przewodność cieplna,
- wysoka odporność na korozję,
- zdolność do tworzenia stopów z ró\
nymi pierwiastkami o bardzo
dobrych właściwościach mechanicznych.
- bardzo dobre właściwości plastyczne
- lepsze ni\
aluminium właściwości wytrzymałościowe
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Materiały przewodzące  aluminium i stopy
Właściwości fizyczne (między innymi konduktywność) aluminium
zale\
ą od czystości chemicznej metalu oraz od jego obróbki mechanicznej i
cieplnej. Ze względu na zjawisko płynięcia są du\
e trudności przy
wykonywaniu połączeń elektrycznych.
Wykorzystywany wszędzie tam gdzie chodzi o zmniejszenie masy
przewodów. Dzięki mniejszej masie właściwej (w porównaniu z miedzią) masa
przewodów aluminiowych o takiej samej rezystancji jest około dwa razy
mniejsza ni\
odpowiadająca im masa przewodów miedzianych
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Materiały przewodzące  węgiel i grafit
Wa\
niejsze cechy węgla i grafitu:
- dobre przewodnictwo cieplne (zwłaszcza grafitu),
- mały cię\
ar właściwy,
- dobra obrabialność mechaniczna.
Zastosowanie węgla (grafitu) w maszynach elektrycznych jako styki
ślizgowe (szczotki słu\
ące do połączenia elementów wirujących maszyn z
elementami nieruchomymi)
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Materiały magnetyczne
- ferromagnetyki
Obwody magnetyczne
maszyn elektrycznych wykonuje
się z materiałów zapewniających
uzyskanie mo\
liwie małej
reluktancji (oporu) na drodze
strumienia magnetycznego.
Materiałami spełniającymi te
wymagania sÄ… ferromagnetyki.
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Materiały izolacyjne
Materiały izolacyjne (dielektryki) składają się z cząsteczek
elektrycznie obojętnych, w których ładunki elektryczne (poza
sporadycznymi przypadkami) są związane i nie mogą się przemieszczać
pod wpływem pola elektrycznego. Niedoskonałością dielektryków jest
zjawisko upływności, polegające na przewodzeniu prądu. Przewodzenie
wynika ze skończonej, choć bardzo du\
ej wartości rezystywności.
Główne zastosowanie dielektryków to izolowanie obwodów
elektrycznych. Z tego powodu wa\
nym parametrem dla dielektryków jest
ich wytrzymałość elektryczna.
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Materiały izolacyjne
Materiały elektroizolacyjne
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Materiały izolacyjne
Podział materiałów Klasy materiałów elektroizolacyjnych w zale\
ności
od ich wytrzymałości cieplnej i odporności na starzenie się.
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Materiały konstrukcyjne
Zadaniem materiałów konstrukcyjnych jest zapewnienie
maszynie odpowiedniej sztywności, wytrzymalości na drgania,
uderzenia itp. Ponadto w maszynach wirujÄ…cych wymagane jest
odpowiednie uło\
yskowanie wirnika, zabezpieczenie elementów
nieizolowanych, stworzenie układu osłon i kanałów.
Jako materiałów konstrukcyjnych u\
ywa się prawie wyłącznie
ró\
nych gatunków stali, staliwa, rzadziej \
eliwa.
Tylko w małych maszynach mo\
na spotkać elementy
konstrukcyjne w postaci korpusów odlewanych ze stopów aluminium
lub części tłoczone z mas plastycznych.
Powiatowe Centrum Kształcenia Ustawicznego
Dziękuję za uwagę