1. Część teoretyczna

1.1. Ogólna charakterystyka maszyn elektrycznych

Maszyny elektryczne prądu zmiennego można ogólnie podzielić na jednofazowe i trójfazowe silniki,

prądnice i transformatory. Silnik to maszyna przetwarzająca energię elektryczną w mechaniczną. Prądnica to

maszyna przetwarzająca energię mechaniczną w elektryczną. Transformator to maszyna służąca do zmiany

wartości napięcia elektrycznego za pośrednictwem zmiennego pola magnetycznego, wykorzystująca

zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Działanie silnika oparte jest na zjawisku oddziaływania siły

mechanicznej na przewodnik przewodzący prąd i umieszczony w polu magnetycznym. W silniku

indukcyjnym siła mechaniczna działa na prąd indukowany w uzwojeniu twornika pod wpływem wirującego

pola magnetycznego wytworzonego przez uzwojenie wzbudzenia. Działanie prądnicy oparte jest na

indukowaniu napięcia w przewodniku poruszającym się w polu magnetycznym lub w przewodniku

nieruchomym, który jest obejmowany przez zmienne w czasie pole magnetyczne. Źródłem pola

magnetycznego w maszynach są magnesy trwałe lub uzwojenia nawinięte na rdzeniach magnetycznych i

przewodzące prąd. Rdzenie maszyn prądu zmiennego wykonywane są najczęściej w postaci pakietowanej

(warstwy blachy przedzielone izolatorem) ponieważ zmienny strumień magnetyczny indukuje w rdzeniu

tzw. prądy wirowe, zwiększając jego temperaturę. Podstawowe uzwojenia w maszynach wirujących prądu

zmiennego nazywane są uzwojeniem wzbudzenia i uzwojeniem twornika. Pierwsze z nich jest źródłem pola

magnetycznego, natomiast w drugim indukuje się (tworzy) napięcie oraz działa siła mechaniczna na płynący

przez nie prąd. Uzwojenia transformatora określa się jako pierwotne i wtórne. Wśród maszyn wirujących

prądu zmiennego wprowadza się podział na:

- silniki asynchroniczne (indukcyjne) (1-fazowe (klatkowe) i 3-fazowe (klatkowe i pierścieniowe))

- prądnice synchroniczne 3-fazowe

- silniki synchroniczne 1-fazowe i 3-fazowe

- silniki komutatorowe szeregowe 1-fazowe

Wirniki silników asynchronicznych obracają się z prędkością mniejszą od prędkości wirującego pola

magnetycznego, a wirniki silników synchronicznych wirują z prędkością równą prędkości pola

magnetycznego. Wirniki silników komutatorowych osiągają większe prędkości obrotowe od rotorów

silników indukcyjnych i synchronicznych. Maszyny z komutatorem posiadają także większy moment

rozruchowy.

1.2. Budowa i zasada działania silnika indukcyjnego

Przemienny prąd w symetrycznym trójfazowym uzwojeniu stojana silnika powoduje powstanie

zmiennego pola magnetycznego dla każdej z faz, w wyniku czego wypadkowe pole maszyny jest wirujące.

Pole takie powoduje indukcję napięcia w uzwojeniach wirnika i przepływ prądu.

2

Rys. 1.1. Przekrój silnika indukcyjnego klatkowego

Oddziaływanie pól magnetycznych stojana i wirnika wywołuje powstanie

momentu

elektromagnetycznego i ruch obrotowy wirnika. Inaczej interpretując to zjawisko można stwierdzić, że

wirujące pole magnetyczne stojana działa siłą na prąd wirnika, który został wywołany (zaindukowany) przez

to pole. Siła elektromotoryczna (napięcie) w uzwojeniach wirnika powstaje gdy wirnik obraca się z

prędkością inną niż prędkość wirowania pola magnetycznego (maszyna asynchroniczna). Gdyby prędkość

wirnika osiągnęła prędkość pola, wówczas pole magnetyczne byłoby nieruchome względem uzwojeń

wirnika i nie mogłoby zaindukować w nim napięcia elektrycznego. Prędkość wirującego pola

magnetycznego jest nazywana prędkością synchroniczną:

p

f

60

n

s





[obr/min] (1.1)

gdzie:

f – częstotliwość prądu [Hz]

p – liczba par biegunów magnetycznych w maszynie

W typowych silnikach przy obciążeniu znamionowym prędkość wirnika jest około 2 – 4 % mniejsza niż

prędkość wirowania pola magnetycznego. Występuje tak zwany poślizg. Silnik asynchroniczny bez

obciążenia uzyskuje prędkość obrotową prawie równą prędkości synchronicznej (poślizg jest mniejszy niż 1

%). Poślizg w maszynie indukcyjnej wyraża się zależnością:

s

s

n

n

n

s





(1.2)

gdzie:

n – prędkość obrotowa wirnika maszyny

Efekt wirowania pola jest uzyskiwany naturalnie w uzwojeniach trójfazowych stojana natomiast w

silnikach jednofazowych konstruuje się układy uzwojeń, w których płyną prądy przesunięte względem siebie

w fazie. Można to uzyskać przez wprowadzenie do jednej fazy uzwojenia kondensatora lub zastosowanie

3

dodatkowego uzwojenia zwartego. 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 (silnik zwarty) lub ich

końcówki są przyłączone do pierścieni ślizgowych, przewodzących prąd za pośrednictwem szczotek do

zewnętrznych impedancji (silnik pierścieniowy). Szczególnym przypadkiem silnika zwartego (obecnie

głównie takie są produkowane) jest silnik klatkowy. Rdzeń wirnika w takim silniku ma kształt klatki

zbudowanej z aluminiowych lub mosiężnych pierścieni połączonych prętami (rys. 1.2). Silnik klatkowy

posiada dużą trwałość i prostą budowę (małe koszty produkcji).

Elementami ulegającymi największemu zużyciu są łożyska. Jego wadą jest trudny rozruch (przy dużym

obciążeniu silnik może nie uzyskać momentu rozruchowego, natomiast przy niewielkim lub braku

obciążenia uruchamia się bardzo gwałtownie. W sieci energetycznej w Polsce prąd elektryczny ma

częstotliwość 50 Hz, co odpowiada prędkości synchronicznej 3000 obr/min, a prędkość znamionowa silnika

asynchronicznego wynosi 2800-2900 obr/min. Największymi wadami silnika indukcyjnego są brak

bezpośredniej możliwości regulacji prędkości obrotowej oraz gwałtowny rozruch (silniki klatkowe). Wraz z

rozwojem elektroniki, a w szczególności tranzystorów mocy, triaków i mikroprocesorów, zaczęto stosować

układy łagodnego rozruchu (soft start) oraz regulować prędkość obrotową za pomocą przemienników

częstotliwości (falowników). Rozwój technologiczny i spadek kosztów produkcji układów falownikowych są

przyczyną coraz częstszego stosowania tego typu urządzeń do sterowania silnikami klatkowymi.

1.3. Budowa i zasada działania silnika komutatorowego

Silnik komutatorowy jednofazowy zbudowany jest podobnie i działa analogicznie jak komutatorowy

silnik szeregowy prądu stałego Silnik szeregowy może być, jako jedyny silnik prądu stałego, zasilany

również prądem przemiennym. Silniki takie nazwane są też uniwersalnymi. Możliwość ich różnego zasilania

wynika z faktu, że kierunek wirowania wirnika nie zależy od biegunowości przyłożonego napięcia. W

przypadku gdy silnik ma być zasilany prądem stałym, stojan wykonywany jest z litego materiału, natomiast

przy zasilaniu prądem przemiennym wykonuje się go z pakietu izolowanych blach, zmniejszając straty

energii powstałe na skutek indukowania się prądów wirowych. Ze względu na stosunkowo małe wymiary i

dużą moc oraz znaczne prędkości obrotowe, silniki te znalazły liczne zastosowania w urządzeniach

gospodarstwa domowego (odkurzacze, elektronarzędzia, suszarki, sokowirówki, miksery itp.).

1.4. Zastosowanie maszyn wirujących prądu zmiennego

Silniki indukcyjne trójfazowe stosowane są powszechnie w przemyśle, rolnictwie i trakcji elektrycznej

(pojazdy szynowe i trolejbusy). W tej grupie wyróżnia się silniki pierścieniowe i klatkowe. Te drugie są

często i chętnie stosowane ze względu na prostotę konstrukcji i mniejszy koszt produkcji. Silniki indukcyjne

jednofazowe klatkowe są stosowane najczęściej w przemyśle oraz w gospodarstwie domowym (pralki,

lodówki). Silniki komutatorowe szeregowe jednofazowe są stosowane w urządzeniach powszechnie

wykorzystywanych w gospodarstwie domowym (odkurzacze, roboty kuchenne, młynki, wiertarki, szlifierki).

Silniki synchroniczne stosowane są tam, gdzie wymagana jest stabilna prędkość obrotowa, w praktyce

4

m

2

2

z

f

44

,

4

E











wykorzystywane są rzadko ponieważ nie posiadają własnego momentu rozruchowego. Prądnice

synchroniczne trójfazowe stosowane są jako generatory energii elektrycznej w elektrowniach oraz, w

specjalnym wykonaniu, jako prądnice samochodowe (alternatory).

1.5. Budowa i zasada działania transformatora

Transformator jest to urządzenie elektromagnetyczne, nie zawierające części ruchomych, służące do

zmiany wartości napięcia elektrycznego, a tym samym natężenia prądu, przy stałej częstotliwości.

Zasadnicze elementy transformatora to rdzeń magnetyczny oraz umieszczone na jego kolumnie (kolumnach)

uzwojenia pierwotne i wtórne. Rdzeń stanowi obwód magnetyczny, jego części łączące kolumny to jarzma, a

przestrzeń zawarta między kolumną a jarzmem nazywa się oknem. Rdzeń jest wykonany w postaci pakietu

blach odizolowanych od siebie, co zmniejsza straty mocy powstające w postaci ciepła w wyniku

indukowania się w rdzeniu prądów wirowych. Blachy pokrywa się cienką warstwą materiału izolacyjnego

(np. papieru, lakieru, szkła wodnego) i składa w pakiety. Do stali, z której są wykonane blachy, dodaje się

ok. 4 % krzemu w celu zmniejszenia strat mocy występujących z powodu przemagnesowywania rdzenia

(straty histerezowe) i indukcji prądów wirowych.

Rys. 1.2. Budowa transformatora jednofazowego: a) rdzeniowego, b) płaszczowego

1- kolumny, 2- jarzma

Zasada działania transformatora jest oparta na zjawisku indukcji elektromagnetycznej wzajemnej. Pod

wpływem przyłożonego napięcia przemiennego w uzwojeniu pierwotnym płynie prąd, który wytwarza

przemienny strumień magnetyczny, indukujący w uzwojeniu pierwotnym i wtórnym siły elektromotoryczne

(skuteczne) E

1

i E

2

:

(1.1)

gdzie:

f - częstotliwość napięcia i prądu

z

1

, z

2

- liczba zwojów uzwojeń pierwotnego i wtórnego

Φ

m

– amplituda głównego strumienia magnetycznego (wartość maksymalna)

m

1

1

z

f

44

,

4

E











5

Z zależności 1.1 wynika, że stosunek sił elektromotorycznych indukowanych w uzwojeniach

transformatora jest równy stosunkowi liczby ich zwojów i jest nazywany przekładnią napięciową lub

zwojową transformatora:

(1.2)

Rys. 1.3. Zasada działania transformatora

Szczególnym przypadkiem transformatora jest autotransformator, służący do płynnej regulacji napięcia

przemiennego w laboratoriach. Występuje w nim tylko jedno uzwojenie, przy czym część tego uzwojenia

jest wspólna dla strony pierwotnej i wtórnej. Zasadę działania autotransformatora przedstawiono na rysunku

1.4. Uzwojenie jest nawinięte na stalowy rdzeń, najczęściej o kształcie toroidalnym. Po odizolowanej jego

części ślizga się suwak, którego położenie nastawia się pokrętłem. Przy położeniu suwaka w pozycji 2A

napięcie wyjściowe U2 wynosi zero.

Zmieniając liczbę zwojów zawartych między 2A i suwakiem, można zmieniać wartość nastawianego

napięcia od zera do wartości napięcia zasilającego Uv lub większej, wtedy gdy napięcie zasilające jest

przyłączone do mniejszej liczby zwojów od ich całkowitej ilości.

Rys. 1.4. Autotransformator jednofazowy regulacyjny a) szkic konstrukcyjny, b) schemat, c)symbol

2

1

2

1

z

z

E

E







6

1.6. Stany pracy transformatora

Transformator może pracować w stanach jałowym, zwarcia i obciążenia. Próbę stanu jałowego

wykonuje się w ten sposób, że do jednego z uzwojeń (pierwotnego lub wtórnego) doprowadza się

regulowane napięcie przemienne, natomiast drugie pozostaje rozwarte.

Rys. 1.5. Stan jałowy transformatora

Z próby stanu jałowego można wyznaczyć takie parametry transformatora jak straty w żelazie ∆P

Fe

,

prąd stanu jałowego I

0

oraz jego składowe czynną I

ocz

i bierną I

µ

, przekładnię υ, współczynnik mocy cosφ

0

.

Straty mocy czynnej w stanie pracy jałowej ∆P

0

, które mierzy się watomierzem, są równe sumie strat w

żelazie i strat w miedzi uzwojeń strony zasilanej.

Ze względu na małą, w porównaniu z prądem znamionowym, wartość prądu I

0,

straty ∆P

Cuo

są

pomijalnie małe względem strat ∆P

Fe

i dlatego przyjmuje się, że ∆P

0

=∆P

Fe

.

Straty te mierzone są przy znamionowym napięciu zasilającym. Straty mocy w żelazie wynikają z

przemagnesowywania rdzenia przy zmianie zwrotu strumienia (grupa strat histerezowych ∆P

Feh

) oraz

indukowania prądów wirowych w blachach rdzenia (grupa strat na prądy wirowe ∆P

Feω;

). Prąd stanu

jałowego I

0

, przy zmianach napięcia od zera do wartości znamionowej zmienia się w przybliżeniu liniowo.

Przy napięciach wyższych od znamionowego następuje zakrzywienie charakterystyki prądu, ze względu na

zjawisko nasycenia magnetycznego. W tym stanie niewielkim wzrostom napięcia odpowiadają stosunkowo

duże przyrosty prądu magnesującego. Wzrost napięcia ponad wartość znamionową może spowodować, że

prąd stanu jałowego przekroczy wartość prądu znamionowego i spowoduje uszkodzenie transformatora.

Odnosi się to do wszystkich urządzeń elektrycznych, których konstrukcja zawiera rdzeń stalowy z

uzwojeniami, a więc do silników elektrycznych i dławików. Producenci takich urządzeń i maszyn podają

dopuszczalny wzrost napięcia, który z reguły nie może przekraczać 10% napięcia znamionowego. Składowa

czynna prądu I

0cz

jest proporcjonalna do napięcia. Wartość tej składowej jest niewielka w stosunku do

składowej magnesującej i jest związana z występowaniem strat w żelazie. Można przyjąć, że prąd biegu

jałowego jest prądem biernym, wywołującym straty mocy biernej.

Stanem zwarcia transformatora nazywa się taką jego pracę, w której jedno z uzwojeń jest zasilane ze

źródła energii elektrycznej, a drugie (najczęściej wtórne) jest zwarte. Napięcie na zaciskach uzwojenia

zwartego jest równe zeru. Prąd płynie przez obydwa uzwojenia.

Transformator pobiera energię, ale jej nie oddaje. Całkowita moc transformatora w tym stanie stanowi

straty mocy w uzwojeniach (straty obciążeniowe w miedzi) i straty w żelazie. Na podstawie pomiarów

7

przeprowadzanych w stanie zwarcia można wyznaczyć niektóre ważne wielkości, jak napięcie zwarcia i

straty obciążeniowe.

Rys. 1.6. Stan zwarcia transformatora

Impedancja uzwojeń jest mała, dlatego próba zwarcia przy napięciu znamionowym jest niedopuszczalna.

Przeprowadza się tzw. zwarcie pomiarowe przy obniżonym napięciu zasilania. Napięcie, przy którym nastąpi

przepływ prądów znamionowych w uzwojeniach, nosi nazwę napięcia zwarcia. Napięcie to jest wyrażone w

procentach napięcia znamionowego i wynosi od 3 % (dla małych transformatorów) do 15 % (dla jednostek

najwyższych napięć i mocy).

Straty w żelazie zależą od kwadratu napięcia, a w stanie zwarcia napięcie to jest niewielkie, dlatego

można przyjąć, że są one pomijalnie małe w stosunku do strat obciążeniowych, które zależą od kwadratu

prądu i rezystancji uzwojeń. Prąd w stanie zwarcia jest, zgodnie z prawem Ohma, proporcjonalny do

napięcia, dlatego straty mocy będą zależeć od kwadratu napięcia zwarcia.

W stanie obciążenia uzwojenie pierwotne jest zasilane napięciem znamionowym, a do uzwojenia strony

wtórnej są dołączone odbiorniki. Moc doprowadzona do strony pierwotnej, pomniejszona o straty w żelazie i

obciążeniowe, jest oddawana przy innym napięciu odbiorcom strony wtórnej. Przy stałym napięciu

zasilającym straty w żelazie rdzenia są stałe i równe stratom określonym przy pracy jałowej. Straty

obciążeniowe zależą od stopnia obciążenia i mogą być wyznaczone na podstawie charakterystyki zwarcia.

Na tabliczce danych znamionowych na ogół są podawane straty w żelazie dla napięcia znamionowego i

straty obciążeniowe przy obciążeniu prądem znamionowym. Te drugie są na ogół 3-5 razy większe.

Sprawność transformatora jest określana stosunkiem mocy czynnej strony wtórnej do mocy czynnej strony

pierwotnej i najczęściej wyrażana w procentach. Przy stałej wartości napięcia zasilającego sprawność zależy

od stanu obciążenia transformatora, a więc od wartości prądu i współczynnika mocy. Przy pracy jałowej

sprawność jest równa zeru. Ze wzrostem obciążenia mocą czynną sprawność rośnie i ma wartość najwyższą,

gdy straty obciążeniowe osiągną wartość równą wartości strat w żelazie. Najczęściej jest osiągana przy ok.

75 % obciążeniu znamionowym.

Dalszy wzrost obciążenia powoduje nieproporcjonalnie większy wzrost strat obciążeniowych, dlatego

sprawność maleje, ale w niewielkim stopniu. Na sprawność ma również wpływ współczynnik mocy

obciążenia cosφ

2

; im jest on mniejszy tym mniejsza sprawność. Sprawność znamionowa transformatorów

jest wysoka i wynosi od 95 % dla małych jednostek do 99,7 % dla jednostek dużych.

8

Wzrost prądu obciążenia I

2

powoduje wzrost prądu strony pierwotnej. Przy pominięciu prądu biegu

jałowego w transformatorze jest zachowana równość amperozwojów strony pierwotnej i wtórnej: I

1

z

1

=I

2

z

2

.

Stąd wynika proporcjonalna zależność prądu 1

1

od prądu I

2

oraz, przy stałej wartości cosφ

2

od P

2

.

Zwiększonemu przepływowi prądu towarzyszy wzrost spadków napięć na opornościach transformatora,

dlatego napięcie na zaciskach wtórnych maleje. Zmiana napięcia jest liniowa. Spadek napięcia zależy od

wartości i rodzaju obciążenia oraz od napięcia zwarcia. Wzrost obciążenia powoduje również wzrost

współczynnika mocy od wartości cosφ

0

(zwykle poniżej 0,1) do wartości cosφ

2

przyłączonych odbiorników.

3. Zagadnienia obowiązujące studentów wykonujących ćwiczenie

a) Program ćwiczenia

b) Budowa i zasada działania jednofazowego indukcyjnego silnika klatkowego

c) Budowa i zasada działania jednofazowego silnika komutatorowego

d) Budowa i zasada działania transformatora i autotransformatora

e) Stany pracy transformatora (schematy)