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)