ZJAWISKA WYSTĘPUJĄCE W MASZYNACH ELEKTRYCZNYCH: Zjawisko indukcji elektromagnetycznej Polega ono na indukowaniu się napięcia w przewodniku znajdującym się w zmiennym w czasie strumieniu magnetycznym. Napięcie indukowane jest nazywane siłą elektromotoryczną, potocznie zwaną sem. Zjawisko indukcji elektromagnetycznej występuje niezależnie od tego, w jakich okolicznościach i z jakich przyczyn zmienia się strumień skojarzony z przewodnikiem. Napięcie może się, więc indukować wówczas, gdy: - nieruchomy przewodnik (cewka) znajduje się w zmiennym w czasie polu magnetycznym (wytwarzanym przez poruszający się magnes lub przez prąd przemienny) (rys. 2.3a), - ruchomy przewodnik (cewka) znajduje się w stałym polu magnetycznym (rys. 2.36), - w układzie nieruchomym zmienia się wartość prądu w jednej z cewek (rys. 2.3c). Wszystkie wymienione przypadki są wykorzystywane w maszynach elektrycznych i transformatorach. Uzwojenia maszyn elektrycznych są wykonane w formie cewek, w związku, z czym występuje w nich zawsze zjawisko indukcji własnej, a często towarzyszy mu zjawisko indukcji wzajemnej. Zjawisko indukcji własnej jest to indukowanie się siły elektromotorycznej w cewce pod wpływem zmian prądu płynącego w tej cewce. Siła elektromotoryczna indukcji własnej nazywamy siłą elektromotoryczną samoindukcji: Wielkość L oznacza indukcyjność własną cewki wyrażając się stosunkiem strumienia skojarzonego z tą cewką ψ do prądu I płynącego w tej cewce: Zjawisko indukcji wzajemnej jest to indukowanie się siły elektromotorycznej w cewce pod wpływem zmian prądu w drugiej cewce z nią sprzężonej. Siła elektromotoryczna indukcji wzajemnej Wielkość M oznacza indukcyjność wzajemną, np. cewki pierwszej z cewką drugą (patrz rys. 2.5). Zjawiska elektrodynamiczne. Jeżeli w polu magnetycznym znajdują się przewodniki z prądem, to na te przewodniki działają siły niezależnie od tego, czy powodują one ruch tych przewodników, czy tez nie. Zjawisko to jest określane jako działanie elektrodynamiczne. W maszynach elektrycznych działanie to można uogólnić sprowadzając je do trzech podstawowych przypadk6w: - działanie pola magnetycznego na przewodnik (uzwojenie) z prądem, - oddziaływanie wzajemne dwóch przewodników (uzwojeń) z prądem, - działanie pola magnetycznego na elementy wykonane z materiałów ferromagnetycznych. W przypadku dwóch przewodników z prądem, jeden z tych przewodników można traktować jako elektromagnes, a drugi jako przewodnik, znajdujący się w polu magnetycznym tego elektromagnesu. Przy obliczeniach bądź analizach ilościowych najczęściej posługujemy się zależnościami określającymi siły elektrodynamiczne Fe działające na przewodnik z prądem I, o długości l umieszczony w polu magnetycznym jednorodnym o indukcji B, prostopadle do linii tego pola Siły elektrodynamiczne w maszynach elektrycznych mogą być pożyteczne lub szkodliwe. Przy przetwarzaniu energii elektrycznej w mechaniczną (w silniku) lub mechanicznej w elektryczną (w prądnicy), muszą wystąpić momenty elektromagnetyczne. W tym przypadku działanie sił elektrodynamicznych jest pożyteczne. Szkodliwe działania elektrodynamiczne to wszystkie te, które mogą odkształcić lub zniszczyć uzwojenia albo inne elementy maszyny czy transformatora, np. gdy prądy przekraczają wartość prądów znamionowych (np. przy zwarciu). BUDOWA MASZYNY ELEKTRYCZNEJ: W każdej maszynie elektrycznej można wyróżnić dwa podstawowe elementy: stojan (stator), będący częścią nieruchomą maszyny, oraz wirnik (rotor), bądący częścią ruchomą maszyny. W skład stojana maszyny elektrycznej wchodzą: - jarzmo lub rdzeń - będące częścią nieruchomą obwodu magnetycznego ma­szyny; w nim jest umieszczone uzwojenie rozłożone równomiernie na obwodzie (np.w maszynach prądu przemiennego) lub są przymocowane bieguny magnetyczne (np. w maszynach prądu stałego), których zadaniem jest wytworzenie pola magnetycznego; - kadłub - stanowiący część konstrukcyjną (nośną) maszyny; - tarcze łożyskowe i łożyska do osadzania wirnika i ewentualnie szczotkotrzymacze i szczotki. W skład wirnika wchodzą: - rdzeń będący częścią ruchomą obwodu magnetycznego maszyny, a w nim uzwojenia; - wał, na którym jest osadzony rdzeń, - pierścienie ślizgowe lub komutator służące do połączenia uzwoje­nia wirnika z obwodem zewnętrznym. STRATY I SPRAWNOŚĆ MASZYN ELEKTRYCZNYCH: Wszystkie występujące w maszynach straty można podzielić na: Straty w uzwojeniu (w miedzi), oznaczane ΔPCu. Są to straty, które występują na skutek przepływu prądu w uzwojeniach i ewentualnych elementach dołączonych dodatkowo. Występują one we wszystkich uzwojeniach maszyn i transformatorów. Ze względu na to, że Ponieważ prąd I0 ma bardzo małą wartość i wynosi 3-12% prądu znamionowego strony pierwotnej, można założyć ze straty w uzwojeniu o rezystancji R1, są pomijalnie małe w stosunku do strat, jakie występowałyby przy prądzie znamionowym i przyjąć, że cala moc pobrana przez transformator w stanie jałowym będzie równa stratom w stali (jak przy obciążeniu znamionowym). Schemat zastępczy i wykres wektorowy transformatora w stanie jałowym: Charakterystyki stanu jałowego: Schemat połączeń do wykonania próby stanu jałowego: Stan obciążenia: Stanem obciążenia transformatora nazywamy taki stan pracy, w którym uzwojenie pierwotne jest zasilane napięciem znamionowym, a w obwód wtórny jest włączony odbiornik. W stanie obciążenia transformatora w obu uzwojeniach płyną prądy. Prąd strony wtórnej I2 zależy od napięcia na zaciskach tej strony oraz od parametrów odbiornika. Natomiast prąd strony pierwotnej I1 zawsze tak dopasowuje się do prądu obciążenia, aby sumaryczny przepływ magnesujący rdzeń wywoływał strumień główny indukujący siłę elektromotoryczną El zbliżoną do napięcia zasilania U1. Schemat zastępczy transformatora o dowolnej przekładni: Wykres wektorowy transformatora odpowiadającemu schematowi: Wykresy wektorowe transformatora przy obciążeniu o charakterze a) indukcyjnym, b) rezystancyjnym, c) pojemnościowym. wartości Rd2 spowoduje dalsze zmniejszenie prędkości obrotowej do wartości nII W ten sposób można regulować prędkość silnika „dół", to znaczy od prędkości znamionowej do prędkości dowolnie malej. Regulacja przez zmianę napięcia zasilającego: Zakres regulacji prędkości obrotowej przez zmianę napięcia zasilającego wynosi niewiele ponad 10% w dół od prędkości znamionowej. Ten sposób regulacji prędkości obrotowej nie jest więc korzystny. Zakres regulacji jest bardzo mały, a dodatkowo silnikowi grozi zatrzymanie się na skutek zmniejszenia przeciążalności. Zmniejszaniu napięcia U1 przy stałej wartości momentu odpowiada wzrost prądów, zarówno w obwodzie wirnika jak i stojana, co powoduje niekorzystny wzrost strat w uzwojeniach. Silnik szeregowy: Prędkość obrotową silnika jednofazowego szeregowego malej mocy można regulować przez: - włączenie szeregowe rezystancji, - zmianę liczby zwojów uzwojenia wzbudzającego. Silniki szeregowe jednofazowe można budować na stosunkowo duże prędkości. Duże prędkości umożliwiają uzyskanie z małej objętości znacznej mocy silni­ka. Poprzez zmianę napięcia na zaciskach silnika można uzyskać różne wartości prędkości obrotowej silnika. Zależność prędkości obrotowej od napięcia zasilania jest prostoliniowa. Jak widać prędkość obrotowa silnika równa jest jeszcze zero, mimo że napięcie na zaciskach silnika osiągnęło już wartość większą od zera. Spowodowane jest to oporami mechanicznymi, które są na tyle znaczne, że równoważą moment rozwijany przez silnik i do dopiero przy dalszym wzroście tego momentu a więc przy wzroście napięcia na zaciskach możliwy jest jego rozruch. Regulacja prędkości obrotowej przez regulację prądu wzbudzenia: Prąd magnesujący silnika szeregowego można regulować za pomocą opornika Rb włączonego równolegle do uzwojenia wzbudzenia. Dla danej wartości rezystancji Rb w stanie ustalonym przez uzwojenie wzbudzenia płynie prąd Im, przez rezystancję bocznikującą to uzwojenie - prąd Ib zaś przez uzwojenie twornika - prąd I. Dla wartości prądu wzbudzenia Im < I wyrażenia na strumień magnetyczny i moment silnika ma postać: Ø=cI·Im. Moment ten uzyskuje się więc przy prądzie wzbudzenia Im mniejszym oraz przy prądzie twornika I większym od prądu, jaki przy tym samym momencie płynąłby przez uzwojenia silnika bez rezystancji Rb, co spowodowane jest równoległym połączeniem rezystancji wzbudzenia i rezystancji Rb. Zmniejszeniu prądu wzbudzenia towarzyszy wzrost prędkości obrotowej, a więc zmniejszając wartość rezystancji Rb uzyskuje się zwiększenie prędkości obrotowej silnika. Regulacja prędkości obrotowej silnika tą metodą pozwala na dwukrotne zwiększenie prędkości obrotowej w stosunku do prędkości znamionowej, czyli pozwala na zredukowanie prądu wzbudzenia do połowy wartości prądu znamionowego, przy obciążeniu znamionowym. Dalsze zmniejszanie prądu wzbudzenia stwarza niebezpieczeństwo rozbiegania się silnika. Regulacja prędkości obrotowej przy współpracy wóch silników szeregowych: Regulację prędkości obrotowej silników szeregowych można uzyskać przez załączenie do sieci dwóch silników raz szeregowo, raz równolegle. Przy połączeniu szeregowym na każdy silnik przypada tylko połowa napięcia sieci, natomiast przy połączeniu równoległym każdy z nich załączony jest na pełne napięcie. Wobec tego prędkość obrotowa silników połączonych szeregowo jest około dwukrotnie mniejsza od prędkości tych silników połączonych równolegle. Przełączanie silników odbywa się za pomocą specjalnego nastawnika. Silnik bocznikowy: Istnieją trzy możliwości regulacji prędkości obrotowej silnika bocznikowego: - przez zmianę napięcia doprowadzonego do silnika U. Napięcie na zaciskach twornika można zmieniać od napięcia znamionowego Un „w dół”. Zmniejszanie napięcia U powoduje przesunięcie charakterystyki mechanicznej. Gdyby strumień silnika zachowywał stałą wartość, wówczas prędkość przy biegu jałowym zmieniałaby się proporcjonalnie do napięcia i charakterystyki przebiegałyby równolegle względem siebie. Jednak w przypadku silnika bocznikowego prąd wzbudzenia maleje wraz ze zmniejszeniem napięcia doprowadzonego. Ponieważ silniki zwykle pracują przy znacznym nasyceniu obwodu magnetycznego, więc w ostatecznym efekcie zależność między napięciem i prędkością nie jest liniowa. - przez zmianę spadku napięcia w obwodzie twornika: Zmianę napięcia doprowadzonego do zacisków twornika można uzyskać przez włączenie szeregowo w obwód twornika opornika z zmiennej rezystancji. Prąd twornika powoduje powstanie spadku napięcia na oporniku, a więc na zaciskach twornika będzie mniejsze napięcie. Zwiększając rezystancję Rr zmniejszamy prędkość obrotową i w ten sposób zawsze uzyskuje się regulację od prędkości obrotowej przy doskonałym bieg jałowym no w dół.

uzwojenia najczęściej są wykonywane z miedzi, a tylko czasami z aluminium, straty te nazywamy stratami w miedzi. Straty te są wprost proporcjonalne do rezystancji uzwojenia i do kwadratu prądu płynącego w uzwojeniu. Straty w rdzeniu (w stali), oznaczane ΔPFe. Są to straty o charakterze magnetycznym, będące sumą strat na histerezę i na prądy wirowe: Straty na histerezę są wprost proporcjonalne do częstotliwości przemagnesowywania, a straty na prądy wirowe są wprost proporcjonalne do kwadratu częstotliwości przemagnesowywania. Straty mechaniczne (zwane często stratami tarcia), oznaczane ΔPm. Są to straty powstałe w wyniku tarcia w łożyskach, tarcia szczotek oraz tarcia części wirujących o powietrze. Są one funkcją prędkości obrotowej lub posuwu (w maszynach liniowych). Straty dielektryczne, oznaczane ΔPiz. Są to straty w izolacji. Ich przyczyną jest zmienne pole elektryczne w izolacji. W maszynach niskonapięciowych są one pomijalnie małe. Całkowite straty w maszynie są sumą wszystkich wymienionych rodzajów strat Ze względu na zależność od obciążenia straty występujące w maszynach elektrycznych i transformatorach można podzielić na: - straty stale (niezależne od obciążenia), - straty zmienne (zależne od obciążenia). Sprawność: Stosunek mocy czynnej oddanej do mocy czynnej pobranej nazywa się sprawnością maszyny: Ponieważ część strat zależy od obciążenia, sprawność maszyny nie jest stała i zmienia się przy zmianie obciążenia. Sprawność znamionowa odpowiada mocy znamionowej, przy której występują straty znamionowe. Ponieważ zwykle maszyny dobiera się tak, aby pracowały jako niedociążone, projektuje się je tak, aby sprawność maksymalna występowała przy obciążeniu mniejszym od znamionowego. Straty mocy w maszynach są nieznaczne w stosunku do mocy przetworzonej, dlatego tez sprawność maszyn elektrycznych w porównaniu ze sprawnością innych maszyn (np. parowych, spalinowych) jest bardzo duża i w znacznym stopniu zależy od mocy maszyny. PARAMETRY SILNIKÓW: - Moc znamionowa silnika PN jest to moc mechaniczna oddawana przez silnik: - Moc znamionowa maszyny jest to moc, którą maszyna może wydawać bez przekroczenia dopuszczalnego nagrzania (dopuszczalnych przyrostów temperatury). Jeżeli dla maszyny podana jest moc znamionowa PN przy określonej prędkości obrotowej nN, to jest ona obowiązująca przy określonym rodzaju pracy: ciągłej, dorywczej, okresowej lub nieokresowej. - Napięcie znamionowe UN (określane w V lub kV) jest to wartość skuteczna napięcia przemiennego, dla maszyn trójfazowych - międzyprzewodowego, lub wartość napięcia stałego (dla maszyn prądu stałego). - Prąd znamionowy IN silnika (podawany w A lub kA) jest to prąd dopływający z sieci przy obciążeniu maszyny mocą znamionową w stanie nagrzanym (w przypadku prądnic i kompensatorów jego wartość wynika z wartości mocy i napięcia znamionowego). Jest to wartość skuteczna prądu przemiennego lub wartość prądu stałego. - Znamionowa prędkość obrotowa nN (określana w obrotach na minutę) jest to prędkość, z jaką wiruje wirnik silnika obciążonego mocą znamionową przy napięciu znamionowym. - Znamionowa sprawność oraz znamionowy moment obrotowy wynikają z innych danych umieszczonych na tabliczce znamionowej. - Moment znamionowy silnika M określa się w niutonometrach (Nm), przy czym jesli PN jest w kW, a nN w obr/min, to - Znamionowy współczynnik mocy cosφN dla maszyn z możliwością regulacji mocy biernej (np. maszyn synchronicznych ze wzbudzeniem) określa wytwórca i podaje na tabliczce znamionowej, natomiast dla pozostałych maszyn jest to wartość występująca przy obciążeniu maszyny mocą znamionową w sta­nie nagrzanym. TRANSFORMATOR: Transformator -jest urządzeniem elektrycznym przeznaczonym do zamiany układu napięć i prądów przemiennych na układ napięć i prądów innych z reguły wartościach, lecz takiej samej częstotliwości. Zamiana ta odbywa się za pośrednictwem pola magnetycznego. Ze względu na zastosowanie transformatory można podzielić na trzy podstawowe grupy: Transformatory energetyczne stosowane przy przesyłaniu i rozdziale energii elektrycznej (zwane tez transformatorami mocy). Transformatory malej mocy stosowane w urządzeniach elektrycznych i elektronicznych w automatyce, łączności. Transformatory specjalne budowane dla różnych celów specjalnych, np. przekładniki pomiarowe, transformatory spawalnicze, probiercze, piecowe, prostownikowe, bezpieczeństwa itd. Zasada działania: Każdy transformator składa się z trzech podstawowych elementów: - uzwojenia pierwotnego (zasilanego), - uzwojenia wtórnego (odbiorczego), - rdzenia ferromagnetycznego, na którym są umieszczone oba uzwojenia (w specjalnych zastosowaniach stosuje się transformatory bez rdzenia, tzw. transformatory powietrzne). Uzwojenia pierwotne i wtórne stanowią obwody elektryczne transformatora, a rdzeń jest obwodem magnetycznym. Uzwojenia nie są ze sobą połączone elektrycznie, a tylko sprzęgnięte strumieniem magnetycznym przenikającym rdzeń. Dzięki istnieniu obwodu magnetycznego, prawie cały strumień jest sprzęgnięty z obydwoma uzwojeniami transformatora. Niekiedy (bardzo rzadko) stosuje się transformatory bez rdzenia. Charakterystyka zewnętrzna transformatora przy różnych współczynnikach mocy obciążenia: Stan zwarcia: Stanem zwarcia transformatora nazywamy taki stan, w którym do uzwojenia pierwotnego jest doprowadzone napięcie zasilające, a uzwojenie wtórne jest zwarte. Napięcie na zaciskach zwartego uzwojenia jest równe zeru i dlatego, mimo ze prąd w nim płynie, nie wydaje ono mocy na zewnątrz do odbiornika. Moc pobierana przez zwarty transformator pokrywa wyłącznie straty, zamieniając się całkowicie w ciepło. Zwarcie występujące przy pełnym napięciu zasilającym nazywamy zwarciem awaryjnym. Prąd płynący w uzwojeniach transformatora jest wówczas od kilku do kilkudziesięciu razy większy od prądu znamionowego. Stan ten jest niebezpieczny dla transformatorów z dwóch powodów: - powstają bardzo duże siły dynamiczne działające na uzwojenia (proporcjonalne do kwadratu prądu), - całkowita moc pobrana w tym stanie wydziela się w postaci ciepła, co powoduje szybki wzrost temperatury uzwojeń, a w konsekwencji uszkodzenie izolacji. W chwili wystąpienia awarii mamy do czynienia ze stanem, nieustalonym, co potęguje skutki zwarcia. Przy napięciu wtórnym równym zeru napięcie pierwotne rozkłada się jedynie na napięcia na impedancjach uzwojeń transformatora. Indukowana siła elektromotoryczna El = E1' jest równa w przybliżeniu połowie napięcia pierwotnego U1. W stanie zwarcia pomiarowego napięcie E1 wynosi kilka procent napięcia znamionowego. Wtedy prąd magnesujący, zmieniający się w funkcji napięcia według krzywej magnesowania, jest pomijalnie mały w stosunku do znamionowych prądów w uzwojeniach transformatora. Oznacza to bardzo dużą wartość reaktancji w schemacie zastępczym transformatora, czyli przerwę w gałęzi X na schemacie zastępczym. Ponieważ straty w rdzeniu ΔPFe są proporcjonalne do kwadratu indukcji, czyli do kwadratu napięcia, (bo U ~ B), które w tym przypadku jest rzędu kilku procent napięcia znamionowego, można je pominąć (gdyż stanowią one ułamek procenta znamionowych strat w rdzeniu). Oznacza to dużą wartość rezystancji RFe w schemacie zastępczym, czyli przerwę w gałęzi RFe. Wynika stąd przerwa w całej gałęzi poprzecznej w schemacie zastępczym transformatora i wartość prądu Io=Iμ+IFe = 0. Schemat transformatora w stanie zwarcia i wykres wektorowy: Schemat układu pomiarowego transformatora w stanie zwarcia i charakterystyki zwarcia: UKŁADY POŁĄCZEŃ: Układ połączeń w gwiazdę może być zrealizowany przez połączenie we wspólnym punkcie neutralnym wszystkich trzech końców uzwojeń lub wszystkich początków. Początki lub końce są wyprowadzone do tabliczki zaciskowej. Początkami uzwojeń usytuowanych na jednej kolumnie transformatora nazywa się umownie zaciski, które dla pewnej wybranej chwili mają wyższy potencjał od drugich zacisków w parach przynależnych do danego uzwojenia. Punkt neutralny może być wyprowadzony lub nie. Dla takiego układu napięcia międzyprzewodowe są razy większe od napięć fazowych, a prądy przewodowe są równe prądom fazowym. Włączanie dodatkowej rezystancji powoduje znaczne zmniejszenie sztywności charakterystyk, co jest zjawiskiem niekorzystnym. Przy regulacji prędkości obrotowej przez włączenie dodatkowej rezystancji w obwód główny strumień magnetyczny nie zmienia się, regulacje ta jest regulacją przy stałym momencie. Moc silnika zmniejsza się przy regulacji proporcjonalnie do prędkości obrotowej. - przez zmianę strumienia wzbudzenia: Zmianę strumienia wzbudzenia można osiągnąć, włączając w szereg z uzwojeniem bocznikowym zmienny opornik zwany regulatorem wzbudzenia. Włączenie takiego regulatora spowoduje zmniejszenie się prądu magnesującego Im wskutek tego zmniejszy się też strumień magnetyczny a prędkość obrotowa n wzrośnie. W ten sposób osiąga się regulację prędkości strumieniem możliwą tylko w górę od prędkości obrotowej no. Podczas regulacji prędkości obrotowej silnika główny obwód twornika nie jest na ogół przełączony, a wszelkie zmiany w układzie są przeprowadzane w obwodzie magnesów. Ponieważ wymiary silnika są przyjęte dla pewnego prądu znamionowego, więc przy regulacji strumieniem będzie występowała zmiana momentu spowodowana zmianą strumienia. Prędkość obrotowa silnika będzie wzrastać przy zmniejszaniu się strumienia, moment zaś będzie maleć proporcjonalnie do strumienia. Silnik klatkowy: Regulacja obrotów silnika polega na wymuszonej zmianie jego prędkości obrotowej, niezależnie od naturalnej zmiany tej prędkości w funkcji momentu obciążenia. Regulację prędkości obrotowej silnika klatkowego można uzyskać przez zmianę: - częstotliwości napięcia zasilającego, Zmiana częstotliwości: - wymaga oddzielnego źródła zasilania o regulowanej częstotliwości, - przeprowadzona w sposób ciągły zapewnia płynną regulację prędkości obrotowej, - pozwala na regulację prędkości obrotowej w szerokim zakresie, - znajduje zastosowanie w silnikach szybkoobrotowych - liczby par biegunów: Zmiana liczby par biegunów: - pozwala na skokową regulację prędkości obrotowej z maksymalną liczbą stopni stosowaną w praktyce, nieprzekraczającą czterech, - daje regulację prędkości obrotowej ekonomiczną, bez strat, - wykorzystana jest w silnikach klatkowych wielobiegunowych. - napięcia zasilania: Zmiana napięcia zasilania stojana powoduje zmianę charakterystyki momentu silnika. Z tego wynika, że zmiana napięcia „w dół” od napięcia znamionowego zasilania pozwala na regulację prędkości obrotowej w wąskim zakresie. Sposób regulacji prędkości obrotowej silnika polegający na zmianie wartości napięcia zasilającego nie jest stosowany. Zasada działania maszyny prądu stałego: Początek i koniec zwoju są połączone z dwoma pierścieniami ślizgowymi, po których ślizgają się szczotki odprowadzające prąd do zamkniętego obwodu zewnętrznego. Jeżeli zwój znajdujący się w polu magnetycznym o indukcji B obracamy z prędkością v, to w jego bokach o długości l indukuje się sem o wartości i kierunku zgodnym z regułą prawej dłoni. Prądnica prądu stałego w istocie działania jest prądnicą prądu przemiennego tylko wyposażona w komutator. Komutator jest przyczyną licznych trudności natury konstrukcyjnej i ruchowej. W stosunku do prądnicy synchronicznej zamienione tu zostały role wirnika i stojana: w maszynie prądu stałego wirnik jest twornikiem (w nim wytwarza się napięcie), a stojan jest magneśnicą, w prądnicy synchronicznej najczęściej jest odwrotnie. Budowa maszyn prądu stałego: Każda maszyna prądu stałego składa się z dwóch podstawowych części: nieruchomego stojana i wirującego wirnika. Stojan najczęściej jest magneśnicą, gdyż w nim jest wytwarzane pole magnetyczne. W skład nieruchomego stojana wchodzą następujące elementy: jarzmo, bieguny główne z uzwojeniem wzbudzającym, bieguny pomocnicze, (komutacyjne) z uzwojeniem, tarcze łożyskowe i trzymadła szczotkowe. Jarzmo stojana, będące najczęściej odlewem żeliwnym lub staliwnym, spełnia dwie role: jednocześnie jest częścią obwodu magnetycznego i elementem konstrukcyjnym spełniającym role kadłuba, do którego są przymocowane pozostałe elementy wchodzące w skład stojana. W maszynach prądu stałego, pole magnetyczne jest wytwarzane przez elektromagnes, którego uzwojenie jest umieszczone na biegunach głównych. Pole magnetyczne w rdzeniu bieguna jest praktycznie stale, ale w nabiegunniku występuje pewna pulsacja strumienia spowodowana przez otwarte żłobki wirnika. Bieguny pomocnicze są elektromagnesami, których uzwojenie jest umieszczo­ne na litym rdzeniu stalowym. Uzwojenie tych biegu­nów jest zawsze połączone szeregowo z uzwojeniem twornika. Ustawienie szczotek: Składające się z zezwojów połączonych ze sobą tworzy obwód zamknięty. Szczotki odbierające prąd dzielą uzwojenie na gałęzie równolegle (liczba gałęzi równoległych zależy od rodzaju uzwojenia). Dla pracy maszyny prądu stałego nie jest obojętne ustawienie szczotek. Szczotki umieszcza się tak, aby zwierały one zezwój wtedy, kiedy nie indukuje się w nim napięcie, czyli wówczas, gdy znajduje się on w strefie neutralnej (obojętnej). Strefa neutralna jest to strefa miedzy biegunami, gdzie indukcja, magnetyczna jest równa zeru. Najogó1niej można stwierdzić, że:

W zasadzie działania transformatora wykorzystano szczególny przypadek zjawiska indukcji elektromagnetycznej - indukowanie napięcia w układzie nieruchomym. Uzwojenie pierwotne o liczbie zwojów Nl jest zasilane ze źródła napięcia sinusoidalnego U1. Pod wpływem napięcia U w uzwojeniu Nl płynie prąd przemienny (sinusoidalny) I0 wywołując przepływ. Pod wpływem tego przepływu powstaje przemienny strumień magnetyczny. Znaczna część tego strumienia głównego zamyka się przez rdzeń, a część zamyka się przez powietrze i jest skojarzona tylko z uzwojeniem pierwotnym (strumień rozproszony pierwotny). Strumień główny sprzęgając się z uzwojeniem wtórnym o liczbie zwojów N2 i uzwojeniem pierwotnym o liczbie zwojów Nl indukuje w tych uzwojeniach siły elektromotoryczne (napięcia indukowane) E2 i El zmieniające się tak, jak strumień, a więc również sinusoidalnie. Jeżeli do zacisków uzwojenia wtórnego przyłączymy jakikolwiek odbiornik, to w zamkniętym obwodzie tego uzwojenia popłynie pod wpływem sem E2 prąd przemienny (sinusoidalny) I2. Jednocześnie zmieni się wartość prądu I1 w uzwo­jeniu pierwotnym i strumienia wytwarzanego przez przepływ pierwotny. Prąd I2 wytworzy swój strumień magnetyczny. Od chwili, gdy płyną prądy w obu uzwojeniach, strumień magnetyczny zamykający się przez rdzeń jest strumieniem wypadkowym powstałym w wyniku działania dwóch przepływów. W ten sposób energia elektryczna dostarczana do uzwojenia pierwotnego przy napięciu U1 i prądzie I1 przetwarza się w energię elektryczną wydawaną z uzwoje­nia wtórnego przy napięciu U2 i prądzie I2. Funkcje transformatora: - Uzwojenia transformatora nie są ze sobą połączone galwanicznie, umożliwia to izolowanie od siebie obwodów elektrycznych. Jeżeli chcemy jedynie izolować od siebie pewne obwody elektryczne bez zmiany wartości napięcia i prądu, to wprowadzamy do układu transformator o liczbie zwojów N1= N2 - Transformator nie przenosi ze strony pierwotnej na wtórną składowych stałych prądu i napięcia i dlatego może służyć jako filtr do ich eliminacji, przy zachowaniu składowych przemiennych. - Z transformatorów można korzystać również wtedy, gdy chodzi o „dopasowanie" elementów obwodu w celu uzyskania optymalnych warunków. - Transformator jest czwórnikiem o pewnej impedancji, czwórnik taki można włączyć miedzy źródło i odbiornik, np. w celu ograniczenia prądu zwarciowego. Budowa transformatora: Zasadniczymi częściami transformatora są: rdzeń stalowy i umieszczone na nim uzwojenia - pierwotne i wtórne, wykonane z miedzi lub aluminium. Poza tym transformatory o większych mocach mają zwykle izolatory przepustowe, kadź z olejem, rury, lub radiatory chłodzące i przełączniki zaczepów oraz wskaźniki pomiarowe. Rdzeń magnetyczny służy do przewodzenia strumienia magnetycznego. Pionowe części rdzenia, na których nawinięte są uzwojenia, zwane kolumnami, poziome zaś łączące kolumny jarzmami. WYZNACZANIE PRZEKŁADNI: Przekładnia transformatora jest to stosunek napięcia górnego do napięcia dolnego mierzonych na zaciskach transformatora będącego w stanie jałowym: Przekładnia jest parametrem transformatora, określającym jego zdolność do zmiany wartości napięcia. Przekładnia ma zawsze wartość większą od 1. Oznacza to, że stosunek napięć występujących jednocześnie na zaciskach uzwojeń transformatora w stanie jałowym jest w przybliżeniu równy stosunkowi liczb zwojów. Aby określić przybliżoną zależność miedzy prądami obu uzwojeń, należy skorzystać z zasady zachowania mocy. Sg=Sd Ponieważ Sg=UgIg oraz Sd=UdId, zatem: W uzwojeniu wyższego napięcia płynie prąd mniejszy, a w uzwojeniu niższego napięcia - prąd większy. W transformatorze następuje wiec zmiana wartości napięcia i prądu przemiennego przy stałej niezmienionej częstotliwości. Stan jałowy transformatora: Stan jałowy transformatora jest to taki stan, w którym uzwojenie pierwotne jest dołączone do źródła prądu przemiennego, a uzwojenie wtórne jest otwarte. W stanie jałowym, w uzwojeniu pierwotnym płynie prąd jałowy I0 wywołując przepływ N1I0, pod wpływem, którego powstaje strumień magnetyczny. Znaczna część tego strumienia zamyka się przez rdzeń, jest to tzw. strumień główny, a pozostała część| zamyka się przez powietrze i jest skojarzona tylko z uzwojeniem pierwotnym, jest to tzw. strumień rozproszony pierwotny. Strumień główny indukuje w uzwojeniach pierwotnym i wtórnym siły elektromotoryczne o wartościach skutecznych. Transformator w stanie jałowym jest nieobciążony, a wiec nie oddaje żadnej mocy (w uzwojeniu wtórnym nie płynie prąd). Stąd wniosek, ze cała moc P10 pobrana w stanie jałowym jest zużyta na pokrycie strat. Mogą tu być brane pod uwagę straty w miedzi i straty w stali. Układ połączeń w trójkąt powstaje przez połączenie końca pierwszej fazy z początkiem drugiej, końca drugiej z początkiem trzeciej, a końca trzeciej z początkiem pierwszej lub tez przez połączenie końca pierwszej fazy z początkiem trzeciej, końca trzeciej z początkiem drugiej, a końca drugiej z początkiem pierw­szej. W układzie połączeń w trójkąt napięcia fazowe są równe międzyprzewodowym, a prądy fazowe są razy mniejsze od prądów przewodowych Układ połączeń w zygzak jest układem specjalnym (stosowanym przy obciążeniach niesymetrycznych) umożliwiającym rozłożenie na dwie kolumny przepływu wywołanego prądem jednej fazy. Z tego względu połączenie w zygzak tworzy się łącząc szeregowo dwie połówki uzwojenia umieszczone na dwóch kolumnach w sposób cykliczny, (przy czym obie połówki uzwojenia muszą być połączone przeciwnie). Wolne końce jednych połówek łączy się w gwiazdę, a wolne końce drugich połówek wyprowadza się na tabliczkę zaciskową. PRACA RÓWNOLEGŁA TRANSFORMATORÓW: Pracą równoległą transformatorów nazywamy taką pracę, przy której strony pierwotne dwu lub kilku transformatorów są zasilane ze wspólnych szyn, a strony wtórne tych transformatorów zasilają odbiory również przez wspólne szyny. Praca równoległa transformatorów jest uzasadniona tym, ze moc znamionowa każdego transformatora jest mniejsza niż moc znamionowa stacji transformatorowej a tym samym mniejsza jest moc i koszt transformatora rezerwowego. Ponadto, przy pracy równoległej możliwa jest bardziej elastyczna eksploatacja stacji, gdyż moc pracujących transformatorów można dopasować do obciążenia. Unika się przez to pracy dużych jednostek przy małym obciążeniu, co jest nieekonomiczne (stale straty w rdzeniu) i pogarsza współczynnik mocy ze względu na pobór prądu magnesującego. Praca równoległa transformatorów jest poprawna, jeżeli spełnione są następujące warunki: - W obwodach wtórnych transformatorów w stanie jałowym nie płyną żadne prądy. - Transformatory obciążają się proporcjonalnie do ich mocy znamionowych. - Odpowiednie prądy poszczególnych transformatorów są ze sobą w fazie, czyli prąd w linii jest sumą arytmetyczną prądów poszczególnych transformatorów. Warunek pierwszy będzie spełniony wówczas, gdy przede wszystkim trans­formatory będą, prawidłowo połączone, czyli odpowiednie fazy będą przyłączone do tych samych szyn. Drugi warunek dotyczy równomiernego rozkładu obciążenia, proporcjonalnego do mocy znamionowych współpracujących transformatorów. Oznacza to, że jeżeli oba transformatory mają jednakową moc, to obciążenia powinny rozłożyć się po połowie na każdy transformator. Gdyby obciążenie nie rozkładało się proporcjonalnie do mocy transformatora, mniejszy mógłby pracować jako przeciążony albo większy jako niedociążony przy znamionowym obciążeniu drugiego transformatora. Wykres wektorowy dwóch transformatorów pracujących równolegle: REGULACJA PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ: Silnik indukcyjny: Regulacja prędkości przez zmianę częstotliwości napięcia zasilającego: Zmieniając częstotliwość zasilania f 1, regulujemy prędkość wirowania pola magnetycznego, a w konsekwencji prędkość wirowania wirnika. Sposób ten umożliwia regulację prędkości płynną lub skokową (w zależności od tego, jakim źródłem zasilania się dysponuje) w zakresie od prędkości równej zeru do prędkości maksymalnej dopuszczalnej ze względów wytrzymałościowych. Regulacja prędkości przez zmianę liczby par biegunów: Regulacje prędkości przez zmianę liczby par biegunów można osiągnąć stosując dwa niezależne uzwojenia w stojanie o różnych liczbach biegunów magnetycznych lub jedno uzwojenie, które można przełączać tak, aby wytwarzało pola o różnych liczbach par biegunów. Umieszczenie w stojanie dwóch niezależnych uzwojeń o różnych liczbach par biegunów umożliwia skokową regulację prędkości obrotowej (dwie prędkości) przez zmianę uzwojenia przyłączonego do sieci zasilającej. W silniku moment obrotowy może powstać tylko wówczas, gdy liczba biegunów w stojanie i w wirniku jest taka sama, dlatego tez ten sposób regulacji prędkości obrotowej może być stosowany tylko w silnikach klatkowych, Umieszczenie dwóch uzwojeń wpływa na powiększenie wymiarów silnika i gorsze wykorzystanie materiału. Znacznie korzystniejsze jest stosowanie jednego uzwojenia, które można przełączać tak, aby wytwarzało pola o różnych licz­bach par biegunów. Regulacja przez zmianę rezystancji w obwodzie wirnika: Jeśli silnik pracuje ze zwartymi pierścieniami (Rd = 0) i napędza maszynę, roboczą o stałym momencie hamującym Mh niezależnym od prędkości obrotowej to po włączeniu rezystancji dodatkowej Rdl w obwód wirnika ustali się nowy punkt pracy l przy prędkości obrotowej wirnika zmniejszonej do wartości n1. Dalszy wzrost rezystancji do - najwłaściwsze położenie szczotek to takie, w którym oś szczotek pokrywa się z osią (osiami) neutralną maszyny, - aby należycie wykorzystać uzwojenie, szczotek powinno, być tyle, ile jest biegunów. Maszyny prądu przemiennego: Silnik szeregowy Silnik komutatorowy jednofazowy szeregowy działa na takiej samej zasadzie jak silnik szeregowy prądu stałego. Przy zmianie kierunku prądu w silniku szeregowym prądu stałego zmienia się jednocześnie kierunek prądu w tworniku wytworzonego kierunek strumienia wytworzonego przez uzwojenie szeregowe. Kierunek momentu pozostaje niezmieniony, ponieważ moment jest proporcjonalny do iloczynu prądu twornika i strumienia. Z uwagi na to, ze stojan jest przemagnesowywany strumieniem przemiennym, aby zmniejszyć straty w rdzeniu silnika, bieguny i jarzmo Silnik bocznikowy Silnik komutatorowy jednofazowy o wzbudzeniu bocznikowym ma taką samą budowę, jak silnik szeregowy, lecz uzwojenie wzbudzające jest wykonane z drutu o znacznie mniejszym przekroju i ma dużą liczbę zwojów. Obwód elektryczny stanowi tu dwie gałęzie: uzwojenie wirnika o bardzo malej reaktancji i uzwoje­nie wzbudzające o reaktancji znacznie większej (ze względu na dużą liczbę zwo­jów tego uzwojenia). Prąd twornika, będący prawie w fazie z napięciem zasilania, jest wiec przesunięty w fazie względem strumienia wzbudzenia, który jest fazie z prądem wzbudzenia o kąt α. Aby silnik rozwijał moment elektromagnetyczny różny od zera, należy skompensować indukcyjność uzwojenia wzbudzającego. W tym celu w obwód wzbudzenia włącza się pojemność C, odpowiednio dobraną. Można również zasilać silniki komutatorowe bocznikowe tak, aby uzwojenie wzbudzające i uzwojenie twornika były zasilane napięciami przesuniętymi w fazie. Ta niekorzystna właściwość silników bocznikowych wpłynęła na to, ze są one rzadko stosowane w praktyce.

---