Wprowadzenie

Generalnie maszyny dzielimy na trzy podstawowe grupy
1)Maszyny prądu stałego.
2)Maszyny prądu przemiennego.
3) Transformatory będące odnogą maszyn prądu przemiennego.
Maszyny prądu przemiennego dzielą się na:
- synchroniczne
- indukcyjne (asynchroniczne): jednofazowe i trójfazowe
- komutatorowe prądu przemiennego: jednofazowe i trójfazowe
Najbardziej liczną grupe maszyn prezentują silniki elektryczne, w dzisiejszych czasach ich zasilanie a co się z tym wiąże uzyskiwane obroty oraz moment obrotowy jest dzięki inverterom i softstartom dostępny w dużo szerszym zakresie prędkości z zachowaniem pełnego momentu na danej prędkości. Klatkowe silniki prądu przemiennego stanowią obecnie najczęściej występujacą grupe elementów wykonawczych napędów elektrycznych.

Drugą grupę napędów stanowią silniki komutatorowe jednofazowe, są to silniki małej mocy które dzięki dogodnym właściwością regulacyjnym na dobre opanowały napędy w urządzeniach powszechnego użytku.

Z kolei bardzo dobry wpływ na współczynnik mocy w sieci mają silniki synchroniczne. Jednak ze względu na swoje ograniczenia mogą być stosowane jedynie tam gdzie częstotliwość rozruchów jest bardzo niska a dodatkowo aplikacje takie nie wymagają regulacji obrotów, dlatego taki silnik nie zda egzaminu w napędzie pomp, sprężarek czy wentylatorów.

Bardzo istone znaczenie w napędach mają silniki prądu stałego. Dzięki dużemu zakresowi regulacji takiego silnika idealnie nadaje się do wykorzystania w aplikacjach automatycznego sterowania napędem. Z koleji rozwój przemysłu połprzewodnikowego pozwalający na wykorzystanie bazowych elementów takich jak diody, tyrystory pozwolił ponownie wrócić do tego typu silników i z dużym powodzeniem wykorzystać je w przemyśle.

Podstawowe własności wpływające na wybór silnika to zakres jego regulacji prędkości obrotowej, rozruch i hamowanie, koszty eksploatacji i niezawodność oraz trwałość i prostota obsługi. Obecnie wykorzystywane napędy mają wysoko postawioną półkę jeśli chodzi o kryteria doboru, i tak bardzo ważnymi cechami przy doborze są jak najniższe straty przy przetważaniu energi elektrycznej na mechaniczną w trakcie pracy a więc jak najwyższa sprawność napędu. Bezstopniowa regulacja w szerokim zakresie prędkości kątowych, mometu obrotowego, przyśpieszenia kątowego, współczynnika mocy napędu. Minimalizacja uchybu i czasu trwania procesów przejsciowych w czasie dokonywania zmian wielkości sterujących i zakłucajacych. Maksymalne wykorzystanie mocy silnika przy jednoczesnym zminimalizowaniu wielkości takich jak pobór prądu, napięcie oraz temperatura. Prosta obsługa i niezawodna praca.

Dlatego rozwój silników wykorzystywanych w napędach elektrycznych dąży do tego by nieustannie zwiększać ich parametry techniczno-ekonomiczne, zwiększać zakres mocy znamionowej, zastosowaniu coraz to bardziej niezawodnych elementów występujacych w konstrukcjach silników np. kondensatorów w układach uzwojeń rozruchowych. Można to osiągnąć stosując coraz to lepsze materiały w konstrukcji silnika oraz optymalizując konstrukcję silnika. Dlatego obecnie produkowane silniki mają dużo lepsze osiągi w porównaniu z konstrukcjami z przed 20 - 30 lat, są to np. odporność na warunki środowiskowe, hałas generowany w czasie pracy, sprawność, bezpieczeństwo obsługi. Odchodzi się od założenia produkcji standardowych modeli silników w kierunku opracowywania silników "na miarę" bo są to opracowania mogące dokładniej spełniać oczekiwania konsumentów. Różnorodność zastosowań wymusza produkcję silników o różnych mocach od tych najmniejszych stosowanych w automatyce gdzie moc wynosi czasem ułamkowe części 1 wata aż po maszyny o mocach dochodzących do 1200MW, wraz z rozpiętością mocy dużemu zróznicowaniu ulega waga maszyn. I waha się w zakresie od częsci kilograma do setek ton.

Ciągły rozwój przemysłu odpowiedzialnego za produkcję maszyn nakierowany jest na nieustanne polepszanie mocy jednostkowej maszyny tzn. zwiększaniem stosunku mocy do masy maszyny oraz zwiększaniem sprawności. Jest to bezpośrednio powiązane z jakością materiałów izolacyjnych, przewodzących, magnetycznych, konstrukcyjnych a także coraz lepszym opracowaniem technik chłodzenia. Działy konstrykcyjne maszyn pracują nad uzyskiwaniem porządanych parametrów pracy maszyn przy jednoczesnym uzyskaniu poprawy jakości maszyn.

W przypadku generatorów dążenia idą w kierunku jak największego zwiększenia mocy jednostkowej oraz napięcia znamionowego. Jednak sprawowanie nadzoru nad generatorami o mocach na poziomie 1000MW sprawia duże problemy. Ponieważ wymagana jest stabilna współpraca z systemem energetycznym a także zapewnienie ciągłego odbioru potężnej ilości wyprodukowanej energii. Skierowało to biura konstrukcyjne do limitowania mocy na górnym poziomie wynoszącym w przedziale 500 do 800MW, ponieważ sprawność takich bloków nie wiele ustępuje blokom o mocach maksymalnych, jednak sprawowanie nadzoru i kontroli nad nimi jest znacznie mniej klopotliwe.

Wiadomości ogólne

Zjawiska fizyczne w pracy maszyn elektrycznych

Działanie wszystkich maszyn opiera się na wykorzystaniu tych samych zjawisk elektromagnetycznych. Zostały one ujęte w podstawowe prawa scalające istniejące parametry elektryczne i magnetyczne. Znajomość tych praw jest niezbędną do wykonania analizy pracy maszyny bądź zaprojektowania.

Zjawiskiem niezbędnym do zaistnienia pracy maszyny elektrycznej jest wytworzenie pola magnetycznego w maszynie i umieszczeniu w nim przewodnika elektrzycznego. Dlatego każda maszyna zawiera dwa zespoły, magnetyczny i elektryczny. Obwód magnetyczny stanowi drogę dla strumienia magnetycznego a w obwodzie elektrycznym indukuje się napięcie i płynie prąd.

Pole magnetyczne

Pole magnetyczne można wytworzyć za pomocą
magnesu trwałego(naturalny lub sztuczny);
elektromagnesu (uzwojenie zasilane prądem nawinięte na rdzeniu z materiału ferromagnetycznego)
Obraz pola magnetycznego zwany także drogą pola zależy od ukształtowania obwodu magnetycznego. Poniższy rysunek obrazuje linnie pola wytworzone przez magnesy trwale, odpowiednio sztabkowy i o kształcie podkowy.

rozkład linni pola w przewodniku prostoliniowym

rozkład linni pola w przewodniku o kształcie cewki

rozkład linni pola w rdzeniu magnetycznym

rozkład linni pola w rdzeniu magnetycznym silnika

Zjawisko indukcji magnetycznej

Zjawisko to polega na indukowaniu się napięcia w przewodniku przy każdej zmianie strumienia magnetycznego skojarzonego z tym przewodnikiem. Napięcie to nazywane jest Siłą Elektromotoryczną [SEM]. Zjawisko to wystąpi za każdym razem gdy strumien oddziałowujący na przewodnik ulegnie zmianie, np. zmieni się jego biegunowość, lub będzie ulegał zanikowi i powracał. Taka sytuacja będzie miała miejsce w chwily zbliżania magnesu trwałego lub elektromagnesu zasilanego prądem stałym do nieruchomo osadzonej cewki w której wyindukuje się SEM, ruchoma cewka bedzie zbliżać się do magnesu trwalego lub elektromagnesu zasilanego prądem stałym lub też układ cewek zostanie osadzony nieruchomo na wspolnym rdzeniu ferromagnetycznym a zmiana wartości prądu w jednej z cewek spowoduje wygenerowanie się SEM w drugiej cewce. Powyższe sytuacje wykorzystane są w maszynach elektrycznych oraz transformatorach.

Gdzie:
N - określa liczbę zwojów skojarzonych ze strumieniem tzn. liczbę zwojów obejmowanych oddziaływaniem tego strumienia.
Ψ - oznacza strumien skojarzony z uzwojeniem tzn. oddziaływujący na uzwojenie w danej jednostce czasu
Φ - oznacza strumień magnetyczny
a ułamek ΛΦ⁄Λt oznacza przyrost strumienia magnetycznego w jednostcze czasu tzn. szybkość narastania strumienia.

Ostanią zależność zwaną prawem Faradaya należy interpretować jak podano poniżej.

Napięcie indukowane w uzwojeniu przez skojarzony z tym uzwojeniem strumień będący zmiennym w czasie strumieniem magnetycznym jest wprost proporcjonalny do liczby zwojów uzwojenia i szybkości zmiany strumienia w czasie ( im większa jest liczba zwojów lub im większa jest szybkość zmiany strumienia i im większy jest strumień magnetyczny tym wyższe jest napięcie.

C.D.N