UNIWERSYTET ROLNICZY W KRAKOWIE
WYDZIAA
INŻYNIERII PRODUKCJI I ENERGETYKI
KATEDRA ENERGETYKI I AUTOMATYZACJI PROCESÓW ROLNICZYCH
Małgorzata Trojanowska
ELEKTROTECHNIKA CZ
ŚĆ II
2. Pola
Pojęcie pola jest jednych z najważniejszych pojęć we współczesnej fizyce, a wprowadził je M. Faraday. Pole
fizyczne jest to stan przestrzeni fizycznej, który jest odpowiedzialny za oddziaływanie między oddalonymi
obiektami. Pola fizyczne są wytwarzane zarówno przez obiekty nieruchome w przestrzeni, jak i przez obiekty
poruszające się z określoną prędkością, a obiektami tymi mogą być w szczególności cząstki elementarne.
W przyrodzie występuje wiele różnych pól. Jeżeli każdy punkt pola można scharakteryzować za pomocą
wielkości wektorowej (wielkość fizyczna mająca określony punkt przyłożenia, kierunek działania, zwrot oraz
wartość opisaną liczbą z odpowiednią jednostką) to pole takie nazywamy wektorowym. W elektrotechnice polami
wektorowymi są pole elektryczne, pole magnetyczne i pole elektromagnetyczne.
2.1. Pole elektryczne
Pole elektryczne występuje w przestrzeni otaczającej ładunki elektryczne. Jeżeli ładunki elektryczne są
nieruchome względem ziemi i niezmienne w czasie, to wytworzone pole nosi nazwę pola elektrostatycznego. Pole
takie może istnieć tylko w dielektrykach (izolatorach).
Na ładunki umieszczone w polu elektrycznym działają siły. Jeżeli pole elektryczne jest wytwarzane przez
ładunek punktowy (rys. 2.1.1) to na ładunek elektryczny wprowadzony do tego pola działa siła F określona
zależnością, zwaną prawem Coulomba:
Qq
F =�
4p�e�r2
gdzie: Q  ładunek elektryczny wytwarzający pole elektryczne,
q  ładunek elektryczny wprowadzony do pola,
� = �o�r  przenikalność elektryczna środowiska (wielkość charakteryzująca środowisko),
�o  przenikalność elektryczna próżni równa 8,86"10-12 Fm-1,
�r  przenikalność elektryczna względna środowiska,
r  odległość między ładunkami.
Rys. 2.1.1. Ilustracja prawa Coulomba
Pole elektryczne przedstawia się graficznie za pomocą linii (linii sił) pola elektrycznego (rys. 2.1.2). Są to
linie, po których poruszają się ładunki elektryczne wprowadzone do pola, styczne do kierunków sił działających na
ładunki.
Rys. 2.1.2. Przykłady obrazów pól elektrostatycznych wywołanych: a) ładunkami o różnych znakach; b) ładunkami
o takich samych znakach
Głównymi wielkościami charakteryzującymi pole elektryczne są natężenie pola elektrycznego E i potencjał
elektryczny V.
Natężenie pola elektrycznego E w danym jego punkcie jest równe stosunkowi siły F działającej na ładunek q
wprowadzony do tego punktu pola do wartości ładunku. Natężenie pola jest wielkością wektorową, a jego
jednostką jest wolt na metr [V"m-1].
Potencjał elektryczny jest to właściwość pola elektrycznego określająca zdolność pola do wykonania pracy.
Potencjał elektryczny V określa stosunek pracy, jaką należałoby wykonać, aby przenieść ładunek q z danego
miejsca pola do miejsca, w którym potencjał jest równy zeru (punkt nieskończenie odległy od ładunku
wytwarzającego pole), do wartości tego ładunku. Jednostka potencjału jest wolt [V]. Różnicę potencjałów
pomiędzy dwoma punktami pola nazywamy napięciem elektrycznym U.
Urządzenie służące do gromadzenia ładunków elektrycznych nazywa się kondensatorem Najprostszy
kondensator składa się z dwóch przewodników nazywanych elektrodami lub okładzinami, rozdzielonych
dieelektrykiem. Jeżeli do okładzin kondensatora podłączymy napięcie U to na okładzinach kondensatora zaczną się
gromadzić ładunki elektryczne Q. Pomiędzy tymi wielkościami istnieje zależność:
Q = CU
gdzie C oznacza pojemność elektryczną kondensatora. Jednostką pojemności jest farad [F].
Pojemność elektryczna jest wielkością charakteryzującą kondensator i określa zdolność gromadzenia ładunku
elektrycznego.
W wielu przypadkach kondensatory łączy się tworząc tzw. baterie kondensatorów, przy czym rozróżnia się
połączenie równoległe i szeregowe. Do okładzin kondensatorów połączonych równolegle przyłożone jest to samo
napięcie, stąd pojemność zastępcza jest równa sumie pojemności poszczególnych kondensatorów. Przy połączeniu
szeregowym na okładzinach wszystkich kondensatorów gromadzi się ten sam ładunek. Odwrotność pojemności
zastępczej jest sumą odwrotności pojemności poszczególnych kondensatorów.
2.2. Pole magnetyczne
A
adunki elektryczne będące w spoczynku wytwarzają pole elektryczne, zaś ładunki będące w ruchu
wytwarzają oprócz pola elektrycznego również pole magnetyczne. Zatem w przestrzeni otaczającej przewody
przewodzące prąd elektryczny istnieje pole magnetyczne. Pole magnetyczne może być także wytworzone przez
magnesy trwałe. Pole magnetyczne przedstawia się graficznie za pomocą linii sił pola magnetycznego. W polu
magnetycznym wytworzonym przez magnes trwały linie sił pola magnetycznego wychodzą z bieguna północnego
N i wchodzą do bieguna południowego S (rys. 2.2.1).
Rys. 2.2.1. Przebieg linii pola magnetycznego wytwarzanego przez magnesy trwałe
W polu magnetycznym powstałym wskutek przepływu prądu elektrycznego przez przewód linie pola są
liniami zamkniętymi, a ich zwrot określa tzw. reguła śruby prawoskrętnej (jeżeli ruch postępowy śruby
prawoskrętnej jest zgodny z kierunkiem prądu, to prawoskrętny ruch obrotowy jest zgodny z dodatnim zwrotem
linii sil pola). Zwiększenie gęstości linii sił uzyskuje się przy przepływie prądu przez zwój przewodnika, a jeszcze
bardziej przez uzwojenie składające się z wielu zwojów zwane cewką (rys. 2.2.2).
Rys. 2.2.2. Pole magnetyczne przewodu z prądem elektrycznym: a) przewód prostoliniowy; b) zwój; c) cewka
Wszystkie linie sił przechodzące przez daną powierzchnię prostopadłą do linii sił tworzą strumień
magnetyczny Ś. Jednostką strumienia jest weber [Wb]. Stosunek strumienia magnetycznego Ś przenikającego
F�
przez daną powierzchnię S do tej powierzchni nazywamy indukcją magnetyczną B ( B =� ). Jest ona wielkością
S
charakteryzującą pole magnetyczne, a jej jednostka to tesla [T].
Na umieszczony w polu magnetycznym przewód, w którym płynie prąd elektryczny, działa siła F starająca się
przewód przesunąć, zwana siłą elektrodynamiczną (rys. 2.2.3). Kierunek i zwrot siły można określić np. za pomocą
reguły lewej dłoni (jeżeli do wnętrza otwartej dłoni lewej ręki wnikają linie sił pola magnetycznego, a wyciągnięte
palce wskazuję kierunek przepływu prądu, to odgięty kciuk wskazuje kierunek działania siły). Wartość siły F
działającej na przewód o długości l, w którym płynie prąd o natężeniu I umieszczony w polu magnetycznym o
indukcji B określa wzór:
F = BIl.
Rys. 2.2.3. Ilustracja zjawiska dynamicznego oddziaływania pola magnetycznego na przewodnik z prądem: a) siła
elektrodynamiczna działająca na przewód z prądem umieszczony w polu magnetycznym, b) reguła lewej dłoni
W polu magnetycznym wytworzonym przez prąd elektryczny indukcja magnetyczna w dowolnym punkcie
zależy nie tylko od kształtu obwodu, liczby zwojów i wartości prądu, lecz także od właściwości magnetycznych
środowiska. Stąd wprowadzono kolejną wielkość charakteryzującą pole magnetyczne, a niezależną od właściwości
środowiska, tj. natężenie pola magnetycznego H. Indukcja magnetyczna jest proporcjonalna do natężenia pola
magnetycznego zgodnie z zależnością:
B = źH,
w której ź jest współczynnikiem charakteryzującym środowisko materialne pod względem jego podatności na
namagnesowanie i nazywa się bezwzględną przenikalnością magnetyczną środowiska. Jednostką współczynnika ź
jest henr na metr [Hm-1]. Dla scharakteryzowania materiału podaje się zamiast przenikalności magnetycznej
bezwzględnej, jej stosunek do przenikalności magnetycznej próżni źo (źo=4 "10-7 Hm-1), nazywany
m�
przenikalnością magnetyczna względną źr ( m�r =� ).
m�0
Wszystkie środowiska (materiały) dzieli się ze względu na właściwości magnesowania (magnetyczne) na:
diamagnetyczne (źr<1, woda, miedz
, sód, azot, hel, neon), paramagnetyczne (źr>1, aluminium, magnez, platyna,
wolfram) i ferromagnetyczne (źr>>1, żelazo, nikiel, kobalt ). Zależność indukcji magnetycznej od natężenia pola
magnetycznego ciał ferromagnetycznych nazywamy charakterystyką magnesowania.
2.3. Zjawisko indukcji elektromagnetycznej
Zjawisko indukcji elektromagnetycznej zostało odkryte przez M. Faradaya i jest jednym z najważniejszych
zjawisk zachodzących w polu magnetycznym, gdyż na nim opiera się cała współczesna elektrotechnika.
Istota zjawiska polega na powstawaniu siły elektromotorycznej w dowolnym obwodzie przy zmianie w czasie
strumienia magnetycznego � skojarzonego z tym obwodem (rys. 2.3.1). Zmiana w czasie strumienia skojarzonego
z obwodem może być wywołana ruchem obwodu elektrycznego względem stałego pola lub umieszczeniem
nieruchomego obwodu w zmiennym w czasie polu magnetycznym. Siła elektromotoryczna indukowana w
przewodzie może być wyznaczona z zależności:
-� dY�
E =�
dt
Zwrot siły elektromotorycznej indukowanej w przewodzie wyznaczamy korzystając z reguły prawej dłoni
(jeżeli do wnętrza otwartej dłoni prawej ręki wnikają linie sił pola magnetycznego, a kierunek ruchu przewodu
wskazuje odchylony kciuk, to wyciągnięte pozostałe palce wskazują zwrot siły elektromotorycznej).
Rys. 2.3.1. Ilustracja zjawiska indukcji elektromagnetycznej: a) siła elektromotoryczna w przewodzie
poruszającym się w polu magnesu trwałego, b) reguła prawej dłoni
Przy zmianie natężenia prądu płynącego w obwodzie z cewką zmienia się także strumień magnetyczny
wywołany tym prądem, co jest przyczyną indukowania w cewce siły elektromotorycznej. Zjawisko nosi nazwę
indukcji własnej lub samoindukcji. Strumień magnetyczny � skojarzony z cewką jest proporcjonalny do
wywołującego go natężenia prądu I:
� = LI,
gdzie L jest współczynnikiem proporcjonalności nazywanym indukcyjnością własną, wyrażaną w henrach [H].
Podobnie jak w przewodach, siła elektromotoryczna indukuje się również w przedmiotach metalowych, np. w
rdzeniu wykonanym ze stali, podczas ich ruchu w polu magnetycznym lub przenikaniu przez nie zmiennego
strumienia magnetycznego. Rdzeń stalowy stanowi obwód elektryczny zamknięty dla indukowanej siły
elektromotorycznej, pod wpływem której płyną w nim prądy zwane wirowymi. Prądy wirowe powodują
nagrzewanie się rdzenia, a tym samym straty energii.
2.4. Pole elektromagnetyczne
Pole elektromagnetyczne jest to stan przestrzeni, w której występuje oddziaływanie na znajdujące się w niej
ładunki elektryczne, dipole magnetyczne oraz inne obiekty o właściwościach elektrycznych lub magnetycznych.
Pole elektromagnetyczne składa się ze współdziałających ze sobą pól elektrycznego i magnetycznego. Istnieje
nierozdzielny związek między składową elektryczną i magnetyczną pola elektromagnetycznego, polegający na
tym, że zmianie w czasie pola elektrycznego towarzyszy zawsze powstanie zmiennego pola magnetycznego, a
zmianie w czasie pola magnetycznego towarzyszy zawsze zmiana pola elektrycznego itd. Powstaje więc jak gdyby
łańcuch pól elektrycznych i magnetycznych wzajemnie się pobudzających i rozchodzących w przestrzeni we
wszystkich kierunkach w postaci tzw. fali elektromagnetycznej (rys. 2.4.1).
Rys. 2.4.1. Pole elektryczne i magnetyczne w płaskiej fali elektromagnetycznej o długości 
Fale elektromagnetyczne służą do przekazywania informacji bez użycia przewodów. Do
wytwarzania fal elektromagnetycznych służą elektryczne obwody drgające. Tzw. obwód drgający
stanowi obwód elektryczny zawierający cewkę i kondensator tak dobrane, by ich opory były sobie równe.
Przekazywanie informacji wymaga nadajnika (wytworzenia fali elektromagnetycznej, nałożenia na nią np.
dz
więku czy obrazu i wysłania ze stacji nadawczej) oraz odbiornika, który przesłaną informację odbierze. Nadajnik
i odbiornik muszą być do siebie dostrojone, czyli ich obwody drgające muszą mieć te same częstotliwości i okresy
drgań.
Właściwości pola elektrycznego i magnetycznego oraz zależności między tymi polami opisują cztery prawa
(równania) Maxwella. Z równań tych wynika, że:
1. z
ródłem pola elektrycznego są ładunki elektryczne (linie pola elektrycznego mogą rozpoczynać się i
kończyć na ładunkach),
2. pole magnetyczne jest bezz
ródłowe (linie pola magnetycznego są zamknięte),
3. zmienne w czasie pole magnetyczne wytwarza wirowe pole elektryczne (linie takiego pola są
zamknięte),
4. poruszające się ładunki (np. przepływający prąd) oraz zmienne pole elektryczne wytwarzają wirowe
pole magnetyczne (linie takiego pola są zamknięte).
3. Transformatory
Transformator jest urządzeniem elektrycznym działającym na zasadzie indukcji elektromagnetycznej,
służącym do przetwarzania energii elektrycznej prądu przemiennego o jednym napięciu na energię elektryczną o
innym napięciu. Stosuje się je zarówno do przetwarzania energii prądu jednofazowego (transformatory
jednofazowe), jak i trójfazowego (transformatory trójfazowe). Transformatory można podzielić na dwie zasadnicze
grupy tj. transformatory energetyczne (mocy) i transformatory specjalne (autotransformatory, przekładniki,
transformatory spawalnicze i prostownikowe itp.). Ze względu na sposób chłodzenia rozróżnia się transformatory
suche i olejowe, w których czynnikiem chłodzącym jest odpowiednio powietrze lub olej.
Transformatory energetyczne wykorzystuje się przy przesyle energii elektrycznej w systemie
elektroenergetycznym. Są to zazwyczaj transformatory trójfazowe dużych mocy. Moc przesyłanej energii
elektrycznej jest proporcjonalna do iloczynu napięcia i prądu. Oznacza to, że tę samą energię można przesłać przy
dużym natężeniu prądu i niskim napięciu lub odwrotnie  przy wysokim napięciu i małym natężeniu prądu. Straty
energii powstające przy jej przesyle są proporcjonalne do oporów linii przesyłowych i kwadratu przepływającego
prądu.
Zmniejszenie strat energii jest możliwe poprzez zwiększenie przekrojów przewodów linii przesyłowych, co
jest kosztowne. Zatem ekonomicznie uzasadniony jest przesył energii elektrycznej przy wysokim napięciu. Dlatego
instaluje się w elektrowniach transformatory podwyższające napięcie, pod którym przesyła się energię elektryczną
na duże odległości, zaś na końcach linii przesyłowych transformatory obniżające napięcie, umożliwiające
dostarczenie odbiorcy energii o wymaganych parametrach.
Każdy transformator składa się z rdzenia stanowiącego obwód magnetyczny i uzwojeń. Uzwojenia w postaci
cewek wykonanych z izolowanych przewodów miedzianych, rzadziej aluminiowych nawinięte są na rdzeniu,
składającym się z izolowanych między sobą blach stalowych. Uzwojenie do którego doprowadzana jest energia
elektryczna nosi nazwę pierwotnego, a z którego jest pobierana  wtórnego. Każde z uzwojeń może być
uzwojeniem górnego lub dolnego napięcia, w zależności od tego czy transformator służy do obniżania czy
podwyższania napięcia zasilającego.
Schemat ideowy transformatora jednofazowego przedstawia rysunek 3.1. Jeżeli uzwojenie pierwotne o z1
zwojach będzie zasilane ze z
ródła napięcia przemiennego o wartości skutecznej U1, to w uzwojeniu tym popłynie
prąd I1, wywołując strumień przemienny Ś, który zamyka się w rdzeniu transformatora i indukuje w każdym zwoju
uzwojenia pierwotnego i wtórnego siłę elektromotoryczną E . Tak więc siły elektromotoryczne indukowane w
poszczególnych uzwojeniach wynoszą:
E1 = U1 = z1E
E2 = U2 = z2E
Stosunek napięć strony pierwotnej i wtórnej, równy w przybliżeniu stosunkowi liczby zwojów obu uzwojeń
jest parametrem charakterystycznym transformatora i nosi nazwę przekładni napięciowej:
U1 z1
J�u =� =�
U2 z2
Stosunek prądów strony pierwotnej i wtórnej jest w przybliżeniu odwrotnie proporcjonalny do przekładni
napięciowej.
Rys. 3.1. Transformator jednofazowy
W pracy transformatora można wyróżnić trzy zasadnicze stany pracy, tj. jałowy, obciążenia i zwarcia. Stan
jałowy występuje, gdy uzwojenie wtórne transformatora jest rozwarte. Wtedy prąd w uzwojeniu wtórnym jest
równy zeru, a prąd w uzwojeniu pierwotnym, zwany prądem jałowym, jest niewielki. Moc czynna pobierana przez
transformator w stanie jałowym jest zużywana głównie na pokrycie strat w rdzeniu magnetycznym,
spowodowanych histerezą i prądami wirowymi, i nie zależy od obciążenia transformatora.
Właściwy stan pracy transformatora, zwany stanem obciążenia, występuje gdy do zacisków uzwojenia
wtórnego jest przyłączony odbiornik energii elektrycznej. Wyznaczając wtedy straty mocy w transformatorze
trzeba uwzględnić, obok strat mocy w rdzeniu (tzw. straty w żelazie "PFe), straty w uzwojeniach (tzw. straty w
miedzi "PCu), które zależą od obciążenia transformatora. Straty w miedzi wyznacza się z zależności:
2
ć� ��
I2
�� ��
D�PCu =� D�PCuN �� ��
I2N
Ł� ł�
gdzie: I2, I2N  odpowiednio prąd w uzwojeniu wtórnym i jego wartość znamionowa,
"PCuN  straty w miedzi przy obciążeniu (prądzie) znamionowym.
Sprawność transformatora jest wyrażana stosunkiem mocy czynnej oddawanej przez uzwojenie wtórna do
mocy czynnej pobieranej przez uzwojenie pierwotne:
P2 P2 P2
h� =� =� =� .
P1 P2 +� D�P P2 +� D�PFe +� D�PCu
Sprawność transformatorów kształtuje się na poziomie 0,95-0,99 i wzrasta wraz ze zwiększaniem obciążenia
transformatora.
Moc znamionowa transformatora to moc pozorna oddawana przez uzwojenie wtórne:
SN = U2N I2N.
Stan zwarcia występuje wtedy, gdy uzwojenie pierwotne jest zasilane napięciem, a zaciski uzwojenia
wtórnego są zwarte. W praktyce stan zwarcia jest stanem awaryjnym.
Parametrem charakteryzującym transformator jest napięcie zwarcia. Jest to taka wartość napięcia zasilającego
jego uzwojenie pierwotne, gdy przy zwartych zaciskach uzwojenia wtórnego płynie w nim prąd znamionowy.
Napięcie zwarcia podaje się zwykle jako wartość procentową napięcia znamionowego transformatora.
Do transformowania napięć w układzie trójfazowym można zastosować trzy transformatory jednofazowe lub
jeden transformator trójfazowy (rys. 3.2). Zasada działania transformatora trójfazowego jest podobna jak
jednofazowego. Różnica polega jedynie na tym, ze transformatory trójfazowe mają inny kształt rdzenia i sześć
uzwojeń, po dwa uzwojenia na każdą fazę. Uzwojenia pierwotne i wtórne mogą być łączone w gwiazdę, trójkąt, a
uzwojenia dolnego napięcia również w zygzak. To ostatnie połączenie stosuje się często w wiejskich sieciach
rozdzielczych niskiego napięcia.
Rys. 3.2. Trójfazowy układ transformacji: a) trzy transformatory jednofazowe, b) transformator trójfazowy
4. Maszyny elektryczne
Maszyny elektryczne są urządzeniami działającymi na zasadzie indukcji elektromagnetycznej i zjawiska
dynamicznego oddziaływania pola magnetycznego na przewodnik z prądem. Służą one do przetwarzania, za
pośrednictwem pola magnetycznego, energii mechanicznej w elektryczną, pracując jako prądnice (generatory) lub
energii elektrycznej w mechaniczną pracując jako silniki.
Pola magnetyczne występujące w maszynach elektrycznych można podzielić na stałe (oś pola nieruchoma,
zwrot i wartość stałe), przemienne (oś pola nieruchoma, zwrot i wartość ulegają zmianom w czasie), wirujące (oś
pola wiruje, zwrot stały wzdłuż osi, wartość stała lub zmienna).
Maszyny elektryczne dzieli się na maszyny prądu przemiennego i maszyny prądu stałego. Maszyny prądu
przemiennego buduje się jako trójfazowe i jednofazowe. Ze względu na stosunkowo prostą ich budowę i zalety
prądu przemiennego znalazły powszechne zastosowanie zarówno jako silniki napędzające różnego rodzaju
urządzenia mechaniczne, jak i generatory.
Podstawowymi częściami maszyny elektrycznej są nieruchomy stojan (stator) i ruchomy wirnik (rotor). Ze
względu na rodzaj ruchu rozróżnia się maszyny wirujące, w których wirnik porusza się ruchem obrotowym
względem stojana, oraz maszyny liniowe, w których wirnik porusza się ruchem postępowym. Maszyny wirujące są
maszynami odwracalnymi, tzn. przy tej samej konstrukcji mogą pracować jako prądnice lub jako silniki.
W dalszej części pracy zostaną przedstawione wybrane maszyny wirujące.
4.1. Prądnica synchroniczna
Rdzeń stojana prądnicy synchronicznej wykonany jest z pakietu blach magnetycznych wzajemnie od siebie
odizolowanych o cylindrycznym kształcie i umieszczony w kadłubie, najczęściej żeliwnym. Na wewnętrznej
powierzchni rdzenia stojana są symetrycznie rozmieszczone żłobki, w których umieszczone jest jego trójfazowe
uzwojenie, najczęściej skojarzone w gwiazdę, połączone z zewnętrznymi obwodami prądu przemiennego.
Wirnik maszyny wykonuje się w postaci elektromagnesów zasilanych prądem stałym z dowolnego z
ródła np.
prądnicy bocznikowej prądu stałego zwanej wzbudnicą, akumulatora (baterii akumulatorów), prostownika, za
pośrednictwem dwóch pierścieni ślizgowych z przylegającymi do nich nieruchomymi szczotkami (rys. 4.1.1). W
zależności od postaci biegunów elektromagnesów rozróżnia się maszyny synchroniczne z biegunami jawnymi i
utajonymi (wirnik cylindryczny) (rys. 4.1.2).
Po zasileniu uzwojenia wirnika prądem stałym powstaje stałe pole magnetyczne. Wirnik prądnicy wprawia się
w ruch obrotowy za pomocą turbiny parowej, wodnej czy silnika spalinowego co powoduje, że wytworzone pole
magnetyczne staje się polem wirującym względem stojana w tym samym kierunku i z taką samą prędkością jak
wirnik. Prędkość tą nazywamy prędkością synchroniczną.
Wirujące pole magnetyczne przecina uzwojenia stojana i indukuje w nich siły elektromotoryczne
sinusoidalnie zmienne, przesunięte względem siebie w fazie o kąt 2 /3 rad, gdyż uzwojenia stojana rozmieszczone
są na obwodzie względem siebie co 2 /3 rad. Przy jednakowych liczbach zwojów uzwojeń wszystkich trzech faz,
amplitudy sił elektromotorycznych są jednakowe i mówi się wtedy o symetrycznym układzie napięć z
ródła
trójfazowego, a samo z
ródło nazywa symetrycznym.
Rys. 4.1.1. Schemat połączeń trójfazowej prądnicy synchronicznej
Rys. 4.1.2. Prądnica synchroniczna: a) z wirnikiem jawnobiegunowym, b) z wirnikiem cylindrycznym
4.2. Silniki asynchroniczne
4.2.1. Silniki asynchroniczne trójfazowe
Trójfazowy silnik asynchroniczny (indukcyjny) jest obecnie najbardziej rozpowszechnionym silnikiem
napędowym, ze względu na swoją prostą i tanią konstrukcję, dużą pewność działania oraz łatwość obsługiwania.
Budowa
Stojan silnika asynchronicznego składa się z rdzenia wykonanego jako pakiet blach stalowych wzajemnie od
siebie odizolowanych, umocowanych w żeliwnym korpusie (rys. 4.2.1). Na wewnętrznym obwodzie stojana
wycięte są żłobki, w których umieszcza się trójfazowe uzwojenie składające się z cewek wykonanych z drutu
miedzianego. Końce tych uzwojeń wyprowadzane są na zewnątrz silnika do tzw. tabliczki zaciskowej. Często na
tabliczkę zaciskową wyprowadzane są, obok końców uzwojeń, również ich początki, co daje użytkownikowi
możliwość łączenia uzwojeń stojana w gwiazdę lub w trójkąt.
Rys. 4.2.1. Stojan silnika asynchronicznego
Rdzeń wirnika również wykonywany jest z blach stalowych, a jego uzwojenie układa się w żłobkach wirnika.
Zależnie od sposobu wykonania wirnika silniki asynchroniczne dzielimy na pierścieniowe i klatkowe (zwarte).
W silniku klatkowym uzwojenie wirnika składa się z szeregu nieizolowanych prętów osadzonych w żłobkach
i połączonych z obu stron pierścieniami zwierającymi. Pręty wraz z pierścieniami tworzą tzw. klatkę (rys. 4.2.2).
Najczęściej wirniki takich silników zalewa się pod ciśnieniem ciekłym aluminium, które wypełnia żłobki tworząc
uzwojenie czyli klatkę. Wielkość i kształt prętów wirnika mają wpływ na przebieg rozruchu silnika. Dlatego
produkuje się wirniki o różnych kształtach żłobków (rys. 4.2.3).
Rys. 4.2.2. Uzwojenie wirnika silnika klatkowego
Rys. 4.2.3. Kształty żłobków wirnika: a) klatkowego zwykłego, b) głębokożłobkowego, c) dwuklatkowego
Zasada działania
Jeżeli trójfazowe uzwojenie stojana zasilimy napięciem trójfazowym to powstanie pole magnetyczne wirujące
względem stojana z prędkością obrotową:
60 f
ns =�
p
gdzie: ns  tzw. prędkość synchroniczna, f  częstotliwość napięcia zasilającego, wynosząca w krajowej sieci
elektroenergetycznej 50 Hz, p  liczba par biegunów pola magnetycznego.
Uzwojeniu stojana składającemu się z trzech cewek (po jednej w każdej fazie) odpowiada pole wirujące o
jednej parze biegunów (ns = 3000 obrotów/min). Jeżeli w każdej fazie zostaną połączone dwie cewki o bokach
przesuniętych względem siebie o /2 rad, to powstanie pole wirujące o dwóch parach biegunów (ns = 1500
obrotów/min).
Wirujące pole magnetyczne przecina uzwojenie wirnika indukując w nim siły elektromotoryczne wywołujące
przepływ prądów. Na umieszczone w wirniku przewody, przez które płynie prąd, działa siła i powstaje moment
obrotowy. Jeżeli moment ten osiąga wartość większą od momentu obciążenia, pochodzącego od przyłączonej
maszyny roboczej i tarcia, to następuje obrót wirnika w kierunku wirowania pola. Prędkość obrotowa wirnika n jest
zawsze mniejsza od prędkości synchronicznej ns i ustala się w chwili zrównania momentów obrotowego silnika i
obciążenia.
Różnicę między prędkością synchroniczną pola ns i prędkością obrotową wirnika n odniesioną do prędkości
synchronicznej nazywa się poślizgiem silnika asynchronicznego i najczęściej wyraża w procentach:
ns -� n
s% =� ��100
ns
Charakterystyka mechaniczna
Podstawową charakterystyką silnika asynchronicznego jest przedstawiona na rysunku 4.2.4 charakterystyka
mechaniczna M = f (n) lub M = f(s). Jej punktami charakterystycznymi są:
 moment znamionowy Mn oraz odpowiadające mu nn i sn = 2,5  6 %,
 moment maksymalny zwany krytycznym Mmax (Mk) oraz odpowiadające mu nk. i sk = 5  15%,
 moment rozruchowy Mr = (0,8  1,2) Mn występujący przy nr = 0 i sr = 1.
Rys. 4.2.4. Charakterystyka mechaniczna silnika asynchronicznego
Na przebieg charakterystyki mechanicznej silnika w warunkach eksploatacyjnych ma wpływ wartość napięcia
'
zasilającego U1 oraz wartość rezystancji obwodu wirnika R2 (rys. 4.2.5). Wartość momentu obrotowego silnika
zależy od kwadratu napięcia zasilającego. Moment krytyczny silnika nie zależy od rezystancji obwodu wirnika,
natomiast wraz z jej wzrostem zwiększa się wartość poślizgu krytycznego, a to powoduje wzrost momentu
rozruchowego silnika.
a) b)
Rys. 4.2.5. Charakterystyki mechaniczne silnika asynchronicznego: a) przy różnych wartościach napięcia
zasilającego, b) przy różnych wartości rezystancji obwodu wirnika
Prąd, moc i sprawność silnika
Przebieg zmian prądu pobieranego z sieci przez silnik w zależności od prędkości kątowej wirnika przedstawia
rysunek 4.2.6. Wartość prądu rozruchowego silnika zależy od wartości napięcia zasilającego oraz rezystancji
obwodu wirnika, co jest wykorzystywane przy rozruchu w celu zmniejszenia prądu rozruchowego.
Rys. 4.2.6. Przebieg zmian prądu podczas rozruchu silnika asynchronicznego
Mocą znamionową silnika jest moc czynna oddawana na wale wirnika. Jest ona mniejsza od mocy pobieranej
przez silnik z sieci o wartość strat mocy związanych z rezystancją uzwojeń, obwodem magnetycznym czy oporami
mechanicznymi silnika. Sprawność silnika określa stosunek mocy czynnej oddawanej na wale do mocy pobieranej
z sieci. Wartość znamionowa sprawności występuje przy obciążeniu silnika mocą znamionową i zawiera się w
granicach od 0,75 dla małych maszyn do ok. 0,93 dla maszyn bardzo dużych. W stanie jałowym maszyny (bez
obciążenia) sprawność jest równa 0, a maksymalną wartość osiąga przy obciążeniu ok. 75% mocy znamionowej.
Znamionowa wartość współczynnika mocy cosĆ wynosi od 0,95 dla dużych silników do ok. 0,75 dla silników
małych. Wartość współczynnika mocy przy biegu jałowym jest bardzo mała (0,05-0,15), co wpływa niekorzystnie
na inne odbiorniki zasilane z tej samej sieci.
Połączenie uzwojeń stojana silnika
Jeśli początki i końce uzwojeń fazowych stojana są wyprowadzone na zewnątrz silnika i przyłączone do
tabliczki zaciskowej, to daje to użytkownikowi możliwość łączenia ich w gwiazdę lub w trójkąt (rys. 4.2.7).
 b d
Rys.4.2.7. Połączenie uzwojeń stojana silnika asynchronicznego trójfazowego: a - schemat ideowy połączenia w
gwiazdę, b - połączenie w gwiazdę na tabliczce zaciskowej, c - schemat ideowy połączenia w trójkąt, d -
połączenie w trójkąt na tabliczce zaciskowej.
Na tabliczce znamionowej takiego silnika podawane są dwa napięcia znamionowe: 230/400V, 400/690V
(inaczej 400 "). Uzwojenie fazowe stojana jest obliczone na wartość mniejszego napięcia znamionowego. Silnik
może rozwijać moc znamionową przy uzwojeniu stojana połączonym w trójkąt, gdy napięcie międzyfazowe sieci
jest równe mniejszemu napięciu znamionowemu silnika, a w gwiazdę - gdy napięcie międzyfazowe sieci jest równe
większemu napięciu znamionowemu silnika. Zasilenie silnika napięciem wyższym niż dopuszczalne powoduje
przepływ prądów przekraczających prąd znamionowy, co może doprowadzić do uszkodzenia silnika. Zasilanie
napięciem niższym niż znamionowe powoduje zmniejszenie mocy silnika i przy nie zmienionym obciążeniu
również wzrost prądu pobieranego z sieci.
Kierunek wirowania wirnika silnika jest zgodny z kierunkiem wirowania strumienia magnetycznego stojana.
Aby go zmienić należy przełączyć dwa dowolne fazowe przewody zasilające.
Rozruch silników synchronicznych trójfazowych
Jeżeli silnik zasilimy przy postoju bezpośrednio napięciem znamionowym, to jego prąd rozruchu może
osiągnąć, w zależności od konstrukcji, 4-8-krotną wartość prądu znamionowego. Przepływ dużych prądów
rozruchowych jest niepożądany dla sieci zasilającej, gdyż wywołuje znaczne spadki napięcia, zakłócając pracę
pozostałych odbiorników przyłączonych do tej sieci. Dlatego też ogranicza się moc silników, które można
przyłączać do sieci bezpośrednio, bez zmniejszania prądu rozruchowego.
Bezpośrednio do sieci publicznej o napięciu międzyfazowym 400V można włączać silniki klatkowe o mocach
do 5,5 kW. Silniki większych mocy uruchamia się przy obniżonym napięcia stosując różne układy.
Największe zastosowanie znalazł rozruch silnika klatkowego za pomocą przełącznika gwiazda-trójkąt. Silnik
włącza się do sieci przy połączeniu uzwojeń stojana w gwiazdę. Po ustaleniu się obrotów ręcznie lub samoczynnie
przełącza się uzwojenie na połączenie w trójkąt.
Przy połączeniu uzwojeń stojana w gwiazdę silnik pobiera z sieci 3-krotnie mniejszy prąd niż przy połączeniu w
trójkąt oraz rozwija 3-krotnie mniejszy moment rozruchowy.
 Przebieg momentu i prądu pobieranego z sieci podczas rozruchu silnika za pomocą przełącznika gwiazda-
trójkąt przedstawia rysunek 4.2.8. Na rysunku 4.2.8b zaznaczono (obszar zakreskowany) moment dynamiczny
silnika Md równy różnicy między momentem obrotowym silnika a momentem oporowym Mop.
a) b) c)
Rys. 4.2.8. Rozruch silnika klatkowego za pomocą przełącznika gwiazda-trójkąt: a) schemat połączeń, b) przebieg
zmian momentu, c) przebieg zmian prądu
Za pomocą przełącznika gwiazda-trójkąt można uruchamiać z sieci publicznej silniki klatkowe o mocy
znamionowej do 15 kW, nie obciążone lub obciążone małą mocą, których normalna praca odbywa się przy
połączeniu uzwojeń stojana w trójkąt. Oznacza to, że moment obciążenia maszyny roboczej na czas rozruchu daje
się ograniczyć do wartości mniejszej niż 0,3 momentu znamionowego, napięcie znamionowe silnika wynosi
400/690V (400"), a na tabliczkę zaciskową silnika są wyprowadzone końcówki uzwojeń fazowych stojana w
liczbie 6.
Innym sposobem zmniejszania prądu rozruchowego silników klatkowych jest obniżanie na czas rozruchu
napięcia zasilającego poprzez zastosowanie autotransformatorów lub dławików rozruchowych, a ostatnio coraz
częściej urządzeń do tzw. łagodnego rozruchu tj. tyrystorowych regulatorów napięcia włączanych w obwody
zasilające uzwojenia stojana.
Aby polepszyć parametry rozruchowe silników klatkowych, zmodyfikowano kształt klatki wirnika i
w ten sposób powstały wirniki dwuklatkowe (rys. 4.2.3c) i głębokożłobkowe (rys. 4.2.3b). W silnikach
dwuklatkowych występują dwa zestawy prętów - zewnętrzne mające mniejszą średnicę i wewnętrzne o
średnicy większej. Są to niejako dwie klatki, jedna w drugiej. W wirnikach głębokożłobkowych
zasadniczą rolę odgrywa kształt zastosowanych prętów (stosunek szerokości do głębokości żłobka nie
powinien być mniejszy niż 1:10).
W silnikach z wirnikami dwuklatkowymi i głębokożłobkowymi w czasie rozruchu występuje tzw.
zjawisko naskórkowości (wypierania prądu), czego następstwem jest zwiększenie rezystancji uzwojenia
wirnika, ze wszystkimi tego konsekwencjami, a w szczególności zmniejszeniem prądu rozruchowego i
zwiększeniem momentu rozruchowego.
4.2.2. Silniki asynchroniczne jednofazowe
Silniki jednofazowe są stosowane w rolnictwie, gospodarstwie domowym, układach automatyki oraz wszędzie
tam gdzie zasilanie jest jednofazowe. Budowane są jako silniki z wirnikiem klatkowym. Moc ich nie przekracza
zwykle kilku kilowatów. Zasada działania tych silników jest taka sama jak silników trójfazowych.
W celu wytworzenia w silniku jednofazowym wirującego pola magnetycznego umieszcza się w stojanie dwa
p�
uzwojenia: robocze i rozruchowe. Osie uzwojeń roboczego i rozruchowego są przesunięte w przestrzeni o kąt .
2
Przesunięcie fazowe prądów przepływających przez te uzwojenia uzyskuje się przez szeregowe włączenie
kondensatora w obwód uzwojenia rozruchowego (rys. 4.2.9). Bez włączenia uzwojenia rozruchowego faza robocza
wytwarza pole magnetyczne pulsujące i moment rozruchowy silnika jest równy 0 (rys. 4.2.8). Faza rozruchowa po
okresie rozruchu może być odłączona ręcznie lub samoczynnie. Odłączenie samoczynne następuje, gdy silnik
osiąga ok. 80% obrotów znamionowych, przy pomocy wyłącznika odśrodkowego.
a) b)
Rys. 4.2.9. Silnik asynchroniczny jednofazowy z fazą rozruchową kondensatorową: a) schemat połączeń (1 
uzwojenie robocze, 2  uzwojenie rozruchowe, 3  wirnik, 4  wyłącznik odśrodkowy, C  kondensator), b)
charakterystyki mechaniczne (1  silnik bez uzwojenia rozruchowego, 2  silnik z uzwojeniem rozruchowym
kondensatorowym)