Jedna z definicji wskazuje, że maszyna elektryczna to urządzenie do przetwarzania energii mechanicznej na elektryczną (prądnice), elektrycznej na mechaniczną (silniki) oraz energii elektrycznej na elektryczną innego rodzaju (transformatory).
Do najczęściej wykorzystywanych maszyn elektrycznych należą:
- Silniki indukcyjne – napędy maszyn i urządzeń w zakładach przemysłowych,
- Transformatory – przetwarzanie napięcia z jednej wartości na inną,
- Prądnice synchroniczne – generatory prądu w elektrowniach,
- Silniki prądu stałego – napęd pojazdów elektrycznych.
Dodatkowo wyróżnia się oddzielną kategorię, tzw. elektromaszynowe elementy automatyki, w skład której wchodzą maszyny projektowane pod kątem realizacji konkretnych zadań w układach automatyki, robotyki, mechanizmach precyzyjnych, itp.
Silniki indukcyjne
Podstawowy podział silników indukcyjnych (asynchronicznych) opiera się na sposobie wykonania wirnika. Możemy tu wyróżnić silniki:
- klatkowe (silnik z wirnikami klatkowymi, silnik zwarty),
- pierścieniowe (silnik z wirnikami uzwojonymi).
Silnik indukcyjny klatkowy jest najczęściej wykorzystywanym silnikiem elektrycznym. Ponad 95% maszyn elektrycznych pracujących w przemyśle stanowią silniki indukcyjne trójfazowe. Przy czym silniki pierścieniowe, z uwagi na duży rozwój przekształtników tyrystorowych stosowanych przy regulacji prędkości obrotowej, są coraz rzadziej wykorzystywane.
Uzwojenia stojana wytwarzają wirujące pole elektromagnetyczne, które obraca się wokół wirnika. Wytworzone pole przecinane zaczyna w wirniku indukować napięcie, a następnie zaczyna płynąć prąd elektryczny. Skutkiem pojawienia się prądu w wirniku jest powstanie siły elektrodynamicznej, która wprawia go w ruch obrotowy. Aby wytworzył się moment elektromagnetyczny, wirnik musi obracać się wolniej od wirującego pola elektromagnetycznego stojana, tworząc tzw. poślizg. Poślizg ten powoduje, że wirnik wiruje wolniej (asynchronicznie) w stosunku do wirującego pola magnetycznego stojana.
Wszystkie silniki indukcyjne, jak również poniżej opisane przykładowe maszyny elektryczne, posiadają tabliczkę znamionową na której możemy odczytać następujące parametry: napięcie zasilania, moc silnika, prędkość obrotową, rodzaj obudowy, temperaturę pracy, układ połączeń uzwojenia, itp.
Transformatory
Transformatory, jak wcześniej wspomnieliśmy, służą do przetwarzania energii elektrycznej w sposób, który zmienia jej parametry (głównie wartości napięć i prądów elektrycznych). Charakterystycznym parametrem każdego transformatora jest jego przekładnia, tzn. stosunek wartości napięcia zasilającego (górnego) do wartości napięcia odbiorczego (dolnego).
Obecnie typowym podziałem transformatorów z uwagi na rodzaj budowy są transformatory olejowe (wykorzystujące olej) oraz transformatory suche, inaczej żywiczne (bezolejowe).
W typowym transformatorze olejowym możemy wyróżnić następujące elementy:
- kadź transformatora,
- część aktywną transformatora
- olej
- układ izolatorów służących do jego podłączenia.
W części aktywnej mamy rdzeń transformatora, uzwojenie górnego napięcia oraz uzwojenie dolnego napięcia. Kolejnym ważnym elementem jest przełącznik zaczepów służący do regulacji napięcia po stronie wyjściowej z transformatora. Zakres regulacji może być niewielki w przypadku typowych transformatorów, jak również znaczny w przypadku autotransformatorów. Olej w transformatorze pełni kilka funkcji:
- pierwszą z nich jest chłodzenie całej części aktywnej,
- druga polega na zapewnieniu właściwości izolacyjnych uzwojeń wewnątrz transformatora.
- Ponadto z jakości oleju transformatorowego można wyczytać nie tylko jego typowy stan fizyko – chemiczny (przejrzystość, napięcie przebicia itp.) ale także określić stan techniczny izolacji uzwojeń i połączeń.
Prądnice synchroniczne
Prądnice synchroniczne są to inaczej generatory prądu, przetwarzające energię mechaniczną na energię elektryczną, napędzane najczęściej turbiną parową. Tak i zespół maszyn tworzy turbogenerator.
Trójfazowe prądnice synchroniczne z wirnikiem cylindrycznym w elektrowniach napędzane turbiną parową tworzą turbogeneratory. Wytworzone napięcie w turbogeneratorach synchronicznych zasila system energetyczny kraju.
Zasada działania prądnicy synchronicznej polega na tym, że do uzwojenia wirnika podane jest poprzez pierścienie ślizgowe napięcie prądu stałego, wytwarzające pole elektryczne. Obracający się wirnik z generowanym polem elektrycznym wytwarza w trójfazowym uzwojeniu stajana napięcie elektryczne. Napięcie to poprzez odpowiedni transformator lub transformatory podawane jest sieci energetycznej elektrowni.
Podstawową zaletą tego typu maszyn jest możliwość pracy przy regulowanym współczynniku mocy a także wysoka sprawność, możliwa do uzyskania nawet przy niskich prędkościach obrotowych. Wadą maszyn synchronicznych jest natomiast kłopotliwy rozruch, dlatego znajdują one zastosowanie głównie w pracy generatorowej. Prądnice synchroniczne przed podłączeniem do sieci wymagają synchronizacji, tzn. uzgodnienia tych samych faz napięcia generatora i napięcia sieci. Obecnie w elektrowniach odbywa się to w sposób automatyczny.
Silnik prądu stałego
Występuje wiele podziałów silników prądu stałego. Najczęstszym z nich jest podział ze względu na sposób zasilania uzwojenia wzbudzenia: silniki obcowzbudne i silniki samowzbudne.
Kolejny podział bierze pod uwagę sposób połączenia uzwojenia wzbudzenia z uzwojeniem twornika wśród maszyn samowzbudnych. Rozróżniamy tutaj:
- silniki szeregowe – połączenie szeregowe uzwojeń stojana i wirnika,
- silniki bocznikowe – połączenie równoległe (bocznikowe) uzwojeń stojana i wirnika.
Silniki prądu stałego a właściwie wirniki, posiadają komutator, co powoduje, że mogą być zasilane prądem stałym, chociaż w uzwojeniach twornika (wirnika) indukowane są napięcia przemienne i płyną prądy przemienne w czasie. Dzieje się tak właśnie za sprawą komutatora, który „podłącza” w danej chwili poprzez układ szczotkowy kolejne fragmenty uzwojeń wirnika. Prąd przepływający przez uzwojenie wirnika oddziałuje z polem magnetycznym stojana, powodując ruch obrotowy wirnika. Główną zaletą maszyn komutatorowych jest łatwość sterowania nimi i regulacji poprzez zmianę wartości napięcia zasilającego lub / i prądu wzbudzenia. Podstawowe wady natomiast to występowanie ruchomego zestyku szczotki-komutator, wymagającego częstych przeglądów, a także stosunkowo duży koszt wykonania maszyny.
Elektromaszynowe elementy automatyki
W układach automatyki, robotyki, itp. występuje znaczna różnorodność typów i konstrukcji mikromaszyn, często nie przypominających wyglądem i zasadą działania wyżej opisanych maszyn dużych. Maszyny i mikromaszyny elektryczne specjalnego zastosowania, które można spotkać najczęściej, to:
- tachoprądnica,
- transformator położenia kątowego,
- silnik synchroniczny przekształtnikowy,
- silnik skokowy.
W tym artykule przedstawiono tylko bardzo podstawowy podział maszyn elektrycznych, oparty na wybranych kryteriach. Nie trudno zauważyć, że zarówno rodzajów maszyn elektrycznych, jak i możliwości ich wykorzystania, jest bardzo dużo. Przedstawione powyżej maszyny elektryczne bardziej szczegółowo (m.in. pod kątem ich budowy wykorzystania, eksploatacji i badań) opiszę w kolejnych artykułach.
Jeżeli jednak już teraz jesteście zainteresowani dodatkowymi informacjami w tym zakresie, to zapraszamy do kontaktu ze Zbigniewem Marcem z Biura Oceny Ryzyka Technicznego (Zbigniew.Marzec@warta.pl).
BIBLIOGRAFIA
Encyklopedia PWN wersja internetowa
Antoni M. Plamitzer, Maszyny elektryczne, rozdział 1.1.: Zadania oraz klasyfikacja maszyn i transformatorów, Warszawa, Wyd. Naukowo-Techniczne, 1982.
www.elmark.com.pl/blog/co-mozemy-odczytac-z-tabliczki-znamionowej-silnika-elektrycznego
