Maszyna elektryczna jest to urządzenie elektryczne. Definicje maszyny elektrycznej oraz uznawanie niektórych urządzeń za maszyny różnią się, przykłady definicji:

Urządzenie, które na zasadzie indukcji magnetycznej przetwarza energię albo bez udziału ruchu mechanicznego (transformator), albo z udziałem ruchu mechanicznego (maszyna elektryczna wirująca albo liniowa)[1]. W układach elektromaszynowych następuje przetwarzanie energii mechanicznej na elektryczną (w prądnicach), elektrycznej na mechaniczną (w silnikach) albo elektrycznej jednego rodzaju na elektryczną innego rodzaju (w transformatorach i przetwornicach)[2].

Urządzenie elektromechaniczne przetwarzające energię mechaniczną na elektryczną (prądnica), elektryczną na mechaniczną (silnik elektryczny) lub elektryczną na elektryczną o innych parametrach (przetwornica elektryczna)[3];

Do najbardziej popularnych maszyn elektrycznych należą:

Maszyny synchroniczna (silnik synchroniczny, prądnica synchroniczna)

Maszyny indukcyjne (silnik asynchroniczny, prądnica asynchroniczna)

Maszyny komutatorowe prądu stałego i zmiennego

Transformatory

Dodatkowo wyróżnia się oddzielną kategorię, tzw. elektromaszynowe elementy automatyki, w skład której wchodzą maszyny projektowane pod kątem realizacji konkretnych zadań w układach automatyki, robotyki, mechanizmach precyzyjnych, itp.

Według wielu autorów[4] transformator nie jest maszyną elektryczną lecz urządzeniem, autorzy ci argumentują, że nie posiada on części ruchomych, wchodzi on jednak zwykle w zakres nauczania maszyn elektrycznych, gdyż zachodzą w nim zjawiska identyczne (poza ruchem) jak w maszynach prądu przemiennego.

Maszyny elektryczne wirujące lub liniowe muszą spełniać tzw. warunki elektromechanicznego przetwarzania energii.

Silnik elektryczny synchroniczny

Podobnie jak w silniku asynchronicznym, silnik ten zwykle posiada trójfazowe uzwojenie stojana, wytwarzające magnetyczne pole wirujące. Różnice występują w wirnikach tych silników. Starsze rozwiązania budowy silników synchronicznych zakładają, że wirnik wykonany jest w postaci uzwojenia nawiniętego na rdzeniu i zasilanego, za pośrednictwem pierścieni ślizgowych i szczotek, ze źródła prądu stałego lub przemiennego. Wirniki te wykonuje się w dwojaki sposób, jako: wirniki cylindryczne (z utajonymi biegunami) lub wirniki z biegunami jawnymi.

Każdy biegun posiada własne uzwojenie nawinięte na rdzeniu bieguna Poprzez nadawanie odpowiedniego kształtu nabiegunnikom uzyskuje się odpowiedni rozkład indukcji na obwodzie wirnika.

Wirniki z biegunami jawnymi [edytuj]

Wirniki z biegunami jawnymi, ze względu na znacznie ograniczoną wytrzymałość mechaniczną na siły odśrodkowe, stosuje się zwykle w maszynach osiągających niezbyt duże prędkości obrotowe. Najczęstsze zastosowania tej konstrukcji to silniki i wolnoobrotowe prądnice napędzane turbinami wodnymi(hydrogeneratory).

Wirnik cylindryczny [edytuj]

Uzwojenie wzbudzenia wirnika cylindrycznego umieszcza się w wyfrezowanych w stalowym korpusie żłobkach i zabezpiecza się przed wypadnięciem ze żłobków za pomocą klinów. Uzwojenie to zajmuje tylko część obwodu wirnika (około 2/3 obwodu).

Wirniki takie są droższe od jawnobiegunowych, ale ze względu na dużą wytrzymałość mechaniczną są stosowane w maszynach osiągających większe prędkości obrotowe. Konstrukcja ta znajduje zastosowanie np. w szybkoobrotowych prądnicach (turbogeneratorach) osiągających z reguły prędkość 3000 obr/min napędzanych turbinami parowymi lub wodnymi.

Moment elektromagnetyczny [edytuj]

Wirujące pole magnetyczne wytworzone przez trójfazowe uzwojenie stojana - jako suma trzech wektorów pola magnetycznego wytwarzanego przez trzy nieruchome uzwojenia umieszczone na stojanie

Po zasileniu uzwojeń stojana, wytworzone zostanie w nim wirujące pole magnetyczne. Jeżeli wyobrazić sobie to pole jako wirującą parę biegunów, to nieobciążony namagnesowany wirnik ustawi się w osi pola stojana i zacznie wirować wraz z tym polem synchronicznie. Siły działające między tak przedstawionymi biegunami mają kierunki promieniowe, więc nie dają żadnego momentu obrotowego. Jeżeli wirnik obciążony zostanie momentem hamującym spóźni się nieznacznie względem wirującego pola. W ten sposób oś wirnika nie będzie się już pokrywać z osią stojana, a siły działające między biegunami wywołają moment mechaniczny, który przeciwstawi się momentowi hamującemu. Zmiany obciążenia nie powodują zmian prędkości obrotowej wirnika (jak to ma miejsce w silniku asynchronicznym), lecz zmianę kąta opóźnienia wirnika.

Wirnik zarówno w stanie jałowym (bez obciążenia) jak i przy obciążeniu obraca się ze stałą prędkością, równą prędkości wirowania pola magnetycznego (z prędkością synchroniczną). Jeżeli jednak moment obciążenia będzie większy niż maksymalny moment elektromagnetyczny silnika (jeżeli kąt pomiędzy osią stojana i wirnika przekroczyłby 90°), wówczas maszyna wypadnie z synchronizmu wirnik będzie okresowo hamowany i przyspieszany i po pewnym czasie zatrzyma się.

Rozruch [edytuj]

Jedna z wad silnika synchronicznego jest to, że nie potrafi on samoczynnie wystartować po zasileniu uzwojeń. Podanie napięcia na stojan powoduje powstanie pola wirującego, które wywołuje przemienny moment obrotowy działający na wirnik. Ze względu na zbyt dużą częstotliwość zmian tego momentu wobec bezwładności wirnika, nie jest on w stanie ruszyć z miejsca.

Wartość średnia momentu rozruchowego wirnika silnika synchronicznego jest równa zero.

Istnieje kilka możliwości radzenia sobie z tą niedogodnością. Jedną z nich jest zastosowanie dodatkowej maszyny, która rozpędza wirnik silnika synchronicznego do prędkości zbliżonej do synchronicznej. Rolę takiej maszyny pełni dodatkowy silnik asynchroniczny lub silnik prądu stałego, ale raczej tego rozwiązania nie stosuje się w praktyce. Innym sposobem uruchomienia silnika synchronicznego jest skorzystanie z rozwiązania stosowanego w silnikach asynchronicznych. W nabiegunnikach wirnika umieszcza się klatkę rozruchową najczęściej utworzoną z miedzianych prętów, podobną do klatki z w wirniku silnika asynchronicznego klatkowego. Taki silnik startuje tak jak silnik asynchroniczny, zasilane są jego uzwojenia stojana a niezasilane uzwojenia wirnika pozostają rozłączone lub zwarte. Po osiągnięciu prędkości zbliżonej do synchronicznej zasila się obwód wzbudzenia prądem stałym, pozwala to wirnikowi wejść w synchronizm i dalej poruszać się z prędkością synchroniczną.

Obecnie najlepszym rozwiązaniem służącym do uruchamiania silników synchronicznych wydaje się zastosowanie specjalnych elektronicznych przemienników częstotliwości (falowników) które pozwalają na systematyczne zwiększanie częstotliwości napięcia zasilania uzwojeń stojana co pozwala na stopniowe rozpędzenie wirnika. W przypadku silników z magnesami trwałymi jest to w zasadzie jedyne rozwiązanie.

Silnik elektryczny asynchroniczny jest maszyną elektryczną zmieniającą energię elektryczną w energię mechaniczną, w której wirnik obraca się z poślizgiem w stosunku do wirującego pola magnetycznego wytworzonego przez uzwojenia stojana.

Silnik asynchroniczny składa się z 2 podstawowych części: nieruchomego stojana i ruchomego wirnika. Przemienny prąd w symetrycznym trójfazowym uzwojeniu stojana powoduje powstanie zmiennego pola magnetycznego dla każdej z faz w taki sposób, że wypadkowe pole jest polem wirującym. Pole to w wyniku indukcji elektromagnetycznej (stąd inna nazwa silnika silnik indukcyjny) powoduje powstanie siły elektromotorycznej w uzwojeniach wirnika, pod wpływem której płynie przez uzwojenia wirnika prąd elektryczny. Oddziaływanie pól magnetycznych stojana i wirnika wywołuje powstanie momentu elektromagnetycznego i ruch.

Siła elektromotoryczna w uzwojeniach wirnika powstaje gdy wirnik obraca się z prędkością inną niż prędkość wirowania pola magnetycznego. W typowych silnikach przy obciążeniu znamionowym jest to o dwa do czterech procent mniej niż szybkość wirowania pola magnetycznego (poślizg). Silnik asynchroniczny bez obciążenia uzyskuje obroty prawie równe obrotom silnika synchronicznego(poślizg<1%).

Efekt wirowania pola jest uzyskiwany automatycznie w instalacjach trójfazowych, w instalacjach jednofazowych konstruuje się układy uzwojeń, w których płynie prąd z przesunięciem fazowym, co uzyskuje się przez zasilanie jednej fazy uzwojenia przez kondensator lub dodatkowe uzwojenie zwarte. Prędkość wirowania silnika zależy od prędkości wirowania pola stojana. Prędkość wirowania pola stojana zależy od częstotliwości napięcia zasilania oraz od konstrukcji uzwojeń (tzw. liczby par biegunów).

Uzwojenia wirnika mogą być wewnętrznie połączone (zwarte - silnik zwarty) lub ich końcówki są przyłączone do pierścieni ślizgowych przekazujących przez szczotki prąd na zewnątrz silnika (silnik pierścieniowy). Wyprowadzone na zewnątrz uzwojenia są połączone przez oporniki lub zwarte. Oporniki podłącza się na czas rozruchu silnika, następnie zmniejsza się opór i zwiera uzwojenia. Oporniki ograniczające prąd uzwojeń wirnika stosuje się w celu zwiększenia momentu obrotowego i zmniejszenia prądu pobieranego przez silnik (by nie przeciążyć instalacji zasilającej) szczególnie podczas rozruchu silnika lub w celu uzyskania łagodnego startu silnika.

Szczególnym przypadkiem silnika zwartego (w zasadzie obecnie głównie takie są produkowane), jest silnik klatkowy. Rdzeń wirnika w takim silniku ma kształt klatki dla wiewiórki lub chomika (stąd angielska nazwa - squirrel cage motor). Uzwojenia wirnika otrzymuje się poprzez zalanie klatki aluminium, bądź (szczególnie w silnikach większych mocy) klatka wykonana jest ze spawanych mosiężnych prętów. Silnik klatkowy charakteryzuje wyjątkowo wysoka trwałość, brak przekazywania prądu do części ruchomych przez styki eliminuje iskrzenie i zużywanie się szczotek. Jedynymi elementami podlegającymi zużyciu są w nim łożyska. Jego wadą jest trudny rozruch: przy dużym (bliskim znamionowemu) obciążeniu, silnik może w ogóle nie ruszyć z miejsca, natomiast przy niewielkim lub braku obciążenia rusza bardzo gwałtownie. Regulacja prędkości obrotowej przy zasilaniu bezpośrednio z sieci jest niemożliwa.

Transformator (z łac. transformare - przekształcać) - maszyna elektryczna służąca do przenoszenia energii elektrycznej prądu przemiennego drogą indukcji z jednego obwodu elektrycznego do drugiego.

Oba obwody są zazwyczaj odseparowane galwanicznie - co oznacza, że nie ma połączenia elektrycznego pomiędzy uzwojeniami, a energia przekazywana jest przez pole magnetyczne. Wyjątkiem jest autotransformator, w którym uzwojenie pierwotne i uzwojenie wtórne posiadają część wspólną i są ze sobą połączone galwanicznie.

Transformator zbudowany jest z dwóch lub więcej cewek (zwanych uzwojeniami) nawiniętych na wspólny rdzeń magnetyczny wykonany zazwyczaj z materiału ferromagnetycznego.

Jedno z uzwojeń (zwane pierwotnym) podłączone jest do źródła prądu przemiennego, powoduje to przepływ w nim prądu przemiennego. Przemienny prąd wywołuje powstanie zmiennego pola magnetycznego, pole to przenika przez pozostałe cewki (zwane wtórnymi) i w wyniku indukcji elektromagnetycznej powstaje w nich zmienna siły elektromotorycznej (napięcia).

Dla transformatora idealnego (pomijalny jest opór uzwojeń oraz pojemności między zwojami uzwojeń, cały strumień magnetyczny wytworzony w uzwojeniu pierwotnym przenika przez uzwojenie wtórne) obowiązuje wzór:

$$\frac{\text{Uwej}}{\text{Uwyj}} = \frac{\text{Iwyj}}{\text{Iwej}} = \frac{\text{nwej}}{\text{nwyj}}$$

gdzie:

U - napięcie elektryczne

I - prąd elektryczny

n - liczba zwojów

wej - strona pierwotna (stosuje się również oznaczenie 1)

wyj - strona wtórna (stosuje się również oznaczenie 2)

Poniższy stosunek:

$$z = \frac{\text{nwyj}}{\text{nwej}}$$

nazywamy przekładnią transformatora.

Istnieją też transformatory, w których jedno uzwojenie jest częścią drugiego (autotransformatory), o większej liczbie uzwojeń oraz o wielu wyprowadzeniach z tego samego uzwojenia.

Transformator energetyczny średniego napięcia - przekrój

Uzwojeń może być kilka, często spotyka się transformatory o np. dwóch dolnych napięciach lub trzech różnych.

W systemach prądu wielofazowego (np. trójfazowego) stosuje się transformatory wielofazowe (trójfazowe). W transformatorach takich rdzenie poszczególnych faz mogą mieć części wspólne. Nie jest to jednak warunek konieczny, ponieważ np. w sieciach wysokiego napięcia stosuje się transformatory jednofazowe (po jednym na każdą fazę).

Transformatory elektroenergetyczne dla niskich napięć izolowane są powietrzem, dla wyższych stosuje się olej transformatorowy, pełniący równocześnie funkcje chłodzące. Dodatkowo, transformatory dużej mocy wyposażone są w radiatory oraz wentylatory jak również w rozbudowane systemy zabezpieczeń.

W żargonie technicznym lub języku potocznym nazwa transformator jest czasem zastępowana niepoprawną, skrótową nazwą trafo.