Maszyny elektryczne: transformatory, prądnice, silniki - rodzaje, podział i charakterystyka.

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 elektryczne – energia elektryczna jest zamieniana w energię mechaniczną.

Prądnice i silniki można podzielić na maszyny: 

• prądu stałego
• prądu przemiennego

Maszyny prądu przemiennego: 

• transformatory 
• maszyny indukcyjne (asynchroniczne) 
• maszyny synchroniczne 

Maszyny 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 – 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

Transformatory służą do zwiększania lub obniżania napięcia i prądu; składają się z: 

• uzwojenia pierwotnego (dolnego napięcia) – cewki o liczbie zwojów N_DN (N₁), 
• uzwojenia (lub kilku uzwojeń)  wtórnego (górnego napięcia) n- cewki o liczbie zwojów N_GN (N₂), 
• rdzenia wykonanego z pakietowanych blach, na którym nawinięte są uzwojenia.

Rys. 1. Budowa (a) i schemat (b) transformatora jednofazowego

W transformatorze energia jest przenoszona między uzwojeniami w oparciu o elektromagnetyczne oddziaływanie sprzężonych ze sobą magnetycznie uzwojeń.

Stosunek liczby zwojów transformatora określa przekładnia zwojowa n_z: 

n_z = N_GN / N_DN

Zależności między prądami i napięciami strony pierwotnej i wtórnej określa przekładnia napięciowa K: 

K = U₁/U₂ = E₁/E₂ = N₁/N₂ = n_z

Moc po obu stronach transformatora jest taka sama i wynosi: 

S = U₁I₁ = U₂I₂

Transformator może pracować w jednym ze stanów: 

• jałowym
• obciążenia 
• zwarcia 

Transformatory cechuje wysoka sprawność energetyczna, często nie przekraczająca 1% mocy znamionowej.

Rys. 2. Transformatory trójfazowe

Rys. 3. 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)    

Rys. 4. 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.

Rys. 5. Zasada działania prądnicy prądu stałego: a) z komutatorem dwusegmentowym, b) z komutatorem czterosegmentowym.

Rys. 6. Prądnica obcowzbudna prądu stałego

Rys. 7. Schematy połączeń prądnicy prądu stałego: a) bocznikowej,  b) szeregowej, c) szeregowo-bocznikowej

Silniki prądu stałego:

• 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.

Rys. 8. 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)

Silniki indukcyjne wykonywane jako 1-fazowe lub 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.

Rys. 9. Połączenie uzwojeń w gwiazdę (a) i w trójkąt (b)

Rys. 10. Wirnik klatkowy  

Rys. 11. 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 fωm

Rys. 12. Charakterystyka mechaniczna dla różnych częstotliwości zasilania silnika

Silniki indukcyjne 1-fazowe

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. 

Rys. 13. Jednofazowy silnik indukcyjny z kondensatorowym uzwojeniem rozruchowym - pojedynczy (a) i podwójny (b) kondensator

Maszyny synchroniczne

Najczęściej wykorzystywane jako generatory prądu zmiennego, rzadziej jako silniki.

Wirują zawsze z tą samą prędkością obrotową niezależnie od obciążenia.

Składają się ze: 

• stojana
• wirnika (z magnesami stałymi lub elektromagnesami prądu stałego) 
  - z biegunami jawnymi (w maszynach o małych prędkościach)
  - z biegunami utajonymi (w maszynach szybkobieżnych)

Rys. 14. Schemat maszyny synchronicznej 

Rys. 15. 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