Maszyny elektryczne

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

Podział maszyn elektrycznych

• Transformatory - energia prądu przemiennego jest zamieniana w

energię prądu przemiennego o innych parametrach.

• Prądnice – energia mechaniczna jest zamieniana w energię

elektryczną.

• Silniki – energia elektryczna jest zamieniana w energię

mechaniczną.

Prądnice i silniki możemy podzielić na maszyny:

• prądu stałego

• prądu przemiennego

Podział maszyn prądu przemiennego:

• transformatory

• maszyny indukcyjne (asynchroniczne)

• maszyny synchroniczne

Podział maszyn prądu stałego:

• szeregowe

• bocznikowe

• obcowzbudne

• z magnesami trwałymi

Elementy maszyn wirujących:

• Magneśnica (składa się z elektromagnesów lub magnesów stałych,

stanowi źródło pola magnetycznego).

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

elektrodynamiczne (silnik).

Część maszyny nieruchomą nazywamy stojanem, a wirującą nazywamy

wirnikiem.

Każdą maszynę charakteryzują:

• napięcie znamionowe

• prąd znamionowy

• współczynnik mocy (maszyny prądu przemiennego)

• częstotliwość znamionowa (maszyny prądu przemiennego)

• moc znamionowa

• sprawność

• prędkość obrotowa

• masa

Transformatory.

Służą one do zwiększania lub obniżania napięcia i prądu.

Składają się z:

• uzwojenia pierwotnego (dolnego napięcia) – cewki o liczbie zwojów

NDN (N1),

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

cewki o liczbie zwojów NGN (N2),

• rdzenia wykonanego z pakietowanych blach, na którym nawinięte

są uzwojenia.

Transformator jednofazowy: budowa i schemat

W transformatorze energia jest przenoszona między uzwojeniami w

oparciu o elektromagnetyczne oddziaływanie sprzężonych ze sobą

magnetycznie uzwojeń.

Stosunek liczby zwojów transformatora określa nam przekładnia

zwojowa nz:

Zależności między prądami i napięciami strony pierwotnej i wtórnej

określa przekładnia napięciowa K:

Moc po obu stronach transformatora jest taka sama i wynosi:

S = U1I1 = U2I2

Transformator może pracować w jednym ze stanów:

• jałowym

• obciążenia

• zwarcia

Transformatory mają wysoką sprawność energetyczną, nie

przekraczającą często 1% mocy znamionowej.

Transformatory trójfazowe

Metody połączenia uzwojeń transformatora trójfazowego:

a) gwiazda, b) trójkąt, c) zygzak

Podstawowe typy transformatorów:

• energetyczne

• jednofazowe

• autotransformatory

• przekładniki prądowe i napięciowe

• transformatory bezpieczeństwa (U2 = 24V)

• transformatory separacyjne (1:1)

Autotransformator

Maszyny komutatorowe prądu stałego i

przemiennego.

Ich charakterystycznym elementem jest komutator – pierścień złożony

z segmentów wykonanych z materiału przewodzącego podzielonych

materiałem izolacyjnym, umieszczonego na obrotowym wale.

Poszczególne segmenty komutatora (działki) są połączone z

uzwojeniami wirnika maszyny. Z zewnętrznym obwodem są one

połączone poprzez ślizgające się po nim szczotki.

Komutator umożliwia mechaniczną zamianę prądu stałego w

przemienny i odwrotnie.

Zasada działania prądnicy prądu stałego: a) z komutatorem

dwusegmentowym, b) z komutatorem czterosegmentowym.

Prądnica obcowzbudna prądu stałego

Schematy połączeń prądnicy prądu stałego: a) bocznikowej,

b) szeregowej, c) szeregowo-bocznikowej

Silniki prądu stałego występują jako:

• szeregowe

• bocznikowe

• szeregowo-bocznikowe

• obcowzbudne

• z magnesami trwałymi

Ich schematy są zbieżne ze schematami analogicznych prądnic.

Zmianę kierunku wirowania uzyskujemy poprzez zamianę polaryzacji

uzwojenia twornika lub wzbudzenia.

Charakterystyki mechaniczne

silników prądu stałego:

1 – bocznikowego,

2 – szeregowo-bocznikowego,

3 – szeregowego

Prędkość obrotową silnika prądu stałego regulujemy poprzez:

• zmianę rezystancji obwodu wirnika,

• zmianę rezystancji obwodu wzbudzenia,

• zmianę napięcia zasilania.

Silniki komutatorowe prądu przemiennego:

Stosowane do zasilania z sieci jednofazowej. Stojan i wirnik są

wykonane z blach. Posiadają duży moment rozruchowy i dużą prędkość

obrotową. Można je zasilać również napięciem stałym.

Silniki indukcyjne (asynchroniczne).

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

prądu zmiennego.

Zasada działania opiera się o wykorzystanie wirującego pola

magnetycznego uzyskanego w wyniku nakładania się na siebie

zmiennych pól magnetycznych wytworzonych w uzwojeniach stojana.

Pole to poprzez indukcję magnetyczną wzbudza w uzwojeniach wirnika

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

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

pola stojana w odniesieniu do prędkości pola stojana stanowi tzw.

poślizg.

Silniki indukcyjne ze względu na konstrukcję wirnika dzielimy na:

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

pierścieniami zwierającymi),

• pierścieniowe (wirnik posiada uzwojenia wyprowadzone na

zewnątrz za pośrednictwem pierścieni ślizgowych.

Uzwojenia silników mogą być połączone:

• w gwiazdę,

• w trójkąt.

Często podczas rozruchu maszyny indukcyjnej (najczęściej klatkowej)

stosuje się metodę przełączania uzwojeń: gwiazda-trójkąt.

Połączenie uzwojeń w gwiazdę i w trójkąt.

Wirnik klatkowy Wirnik pierścieniowy z

rezystorami rozruchowymi

Prędkość obrotowa silnika indukcyjnego jest proporcjonalna do

częstotliwości zasilania. Zależy również od ilości par biegunów stojana.

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

silnikach pierścieniowych zależy również od napięcia na pierścieniach

wirnika (wartości wpiętych tam rezystorów).

Obecnie najpopularniejszą metodą jej regulacji jest regulacja

częstotliwości zasilania silnika indukcyjnego realizowana za

pośrednictwem falowników energoelektronicznych.

M f

ωm

Charakterystyka mechaniczna dla

różnych częstotliwości zasilania

silnika

Jednofazowe silniki indukcyjne.

Składają się ze stojana o uzwojeniu dwufazowym i wirnika klatkowego.

Dla jego rozruchu niezbędne jest stworzenie kondensatorowego

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

pozwala na stworzenie pola wirującego i rozruch silnika.

Jednofazowy silnik indukcyjny z kondensatorowym uzwojeniem

rozruchowym (pojedynczy i podwójny kondensator)

Maszyny synchroniczne.

Najczęściej wykorzystywane jako generatory prądu zmiennego, rzadziej

jako silniki.

Wirują zawsze z tą samą prędkością obrotową niezależnie od

obciążenia.

Składają się z:

• stojana

• wirnika (z magnesami stałymi lub elektromagnesami prądu stałego)

- z biegunami jawnymi (w maszynach o małych prędkościach)

- z biegunami utajonymi (w maszynach szybkobieżnych)

Schemat maszyny synchronicznej

a) b)

Maszyna synchroniczna z biegunami a) jawnymi, b) utajonymi

W prądnicy synchronicznej wirnik zasilany prądem stałym obraca się,

wytwarzając wokół siebie pole magnetyczne wirujące z taką samą

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

nim zmienne SEM. Uzyskane w ten sposób napięcie można wykorzystać

do zasilania innych odbiorników. Jego częstotliwość zależy od prędkości

obrotowej wirnika i jest z nią ściśle zsynchronizowana.

Prądnice takie wykorzystujemy głównie w elektroenergetyce

(elektrownie).

Mogą one pracować samotnie lub w pracy równoległej z innymi

generatorami (system elektroenergetyczny). W przypadku pracy

równoległej konieczna jest synchronizacja prądnicy (generatora) z

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

Alternatory.

Są to prądnice synchroniczne pracujące w pojazdach samochodowych.

Uzyskane z nich napięcie jest regulowane (poprzez regulator napięcia

zmieniający napięcie zasilające magnes wirnika), a następnie

prostowane i podłączone do akumulatora.

Silniki synchroniczne.

Są kłopotliwe w użyciu. Wymagają specjalnych układów rozruchowych.

Jednocześnie zapewniają stałą prędkość niezależnie od obciążenia.

Mogą być wykorzystywane do kompensacji cos ϕ.

Literatura:

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