Maszyna elektryczna

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj
Maszyny asynchroniczne - silniki indukcyjne
Maszyny synchroniczne - generatory w hydroelektrowni
Maszyna prądu stałego - rozrusznik samochodowy
Maszyna bez części ruchomych - transformator energetyczny

Definicje maszyny elektrycznej oraz uznawanie niektórych urządzeń za maszyny bywa nieco zróżnicowane. Przykłady definicji:

Urządzenie, które na zasadzie indukcji magnetycznej przetwarza energię, albo bez udziału ruchu mechanicznego (transformator), albo z udziałem ruchu mechanicznego (maszyna elektryczna wirująca albo liniowa)[1]. W układach elektromaszynowych następuje przetwarzanie:

Urządzenie elektromechaniczne przetwarzające:

Zasadniczy podział[edytuj | edytuj kod]

Do najbardziej popularnych maszyn elektrycznych należą:

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.

Według wielu autorów[4][5] transformator nie jest maszyną elektryczną lecz urządzeniem, autorzy ci argumentują, że nie posiada on części ruchomych, wchodzi on jednak zwykle w zakres nauczania maszyn elektrycznych, gdyż zachodzą w nim zjawiska identyczne (poza ruchem) jak w maszynach prądu przemiennego.

Maszyny elektryczne wirujące lub liniowe muszą spełniać tzw. warunki elektromechanicznego przetwarzania energii.

Maszyna synchroniczna[edytuj | edytuj kod]

Animowany schemat maszyny synchronicznej

Ze względu na sposób wykonania wirnika maszyny synchroniczne można podzielić na

  • Maszyny z wirnikiem cylindrycznym – maszyny szybkoobrotowe (głównie generatory)
  • Maszyny z wirnikiem jawnobiegunowym – maszyny wolnoobrotowe (głównie silniki)

Podstawową zaletą tego typu maszyn jest możliwość pracy przy regulowanym współczynniku mocy, przy odpowiednio dużym prądzie wzbudzenia może on być pojemnościowy, a także wysoka sprawność możliwa do uzyskania nawet przy niskich prędkościach obrotowych.

Wadą maszyny synchronicznej jest kłopotliwy rozruch. Z tego wynika, że znajdują zastosowanie głównie w pracy generatorowej – brak konieczności rozruchu. Wadą maszyny synchronicznej pracującej jako generator jest konieczność synchronizacji, jeśli ma współpracować z innym generatorem.

Zastosowanie maszyny synchronicznej:

  • Największe maszyny synchroniczne stanowią generatory (przede wszystkim turbogeneratory – trójfazowe generatory synchroniczne w elektrowniach zasilające system energetyczny).
  • Alternator samochodowy – w każdym współczesnym samochodzie – o mocy nawet kilku kilowatów w pojazdach ciężarowych, autobusach itp.
  • Prądnica prądu przemiennego trójfazowego – w przenośnych, przewoźnych i okrętowych zespołach prądotwórczych.
  • Kompensator mocy biernej – maszyna synchroniczna odpowiednio przewymiarowana i wzbudzona może być źródłem mocy biernej. Stosowanie jej jest celowe w zakładach przemysłowych, które w przeciwieństwie do gospodarstw domowych płacą także za energię bierna (kVArh). Może ona służyć do napędu maszyny stale włączonej – pompa, wentylator lub pracować luzem. Cechą charakterystyczną kompensatora mocy biernej jest znacznie cieńszy wał wyprowadzony na zewnątrz niż by to wynikało z jej mocy pozornej. Może współpracować z regulatorem mocy biernej, który oddziałuje na wzbudzenie tak, aby zakład miał zerowy jej bilans.
  • Silnik synchroniczny – maszyna synchroniczna jest stosowana jako silnik w napędach najwyższych mocy – setki MW, gdzie niewielki nawet zysk sprawności ma znaczenie. Wraz z rozwojem energoelektroniki stosowana jest coraz częściej w trakcji kolejowej – napędza pociąg TGV – mimo trudności z rozruchem daje się uzyskać moment rozruchowy porównywalny z silnikiem szeregowym prądu stałego – niezbędny do rozruchu pociągu.

Jako silnik znajduje coraz szersze zastosowanie w okrętownictwie do wolnoobrotowego napędu śruby okrętowej. Maszyna taka ze względu na trudności w dokonaniu przeglądu – dokowanie jednostki – powinna być bezszczotkowa. Rozwiązuje się to zwykle poprzez budowę wzbudnicy jako odwróconej maszyny synchronicznej – twornik z prostownikiem zasilającym uzwojenie wzbudzenia na wirniku, a uzwojenie wytwarzające pole magnetyczne na stojanie. Rozruch odbywa się z falownikiem. Przewagą takiego układu napędowego nad mechanicznym jest praca silnika spalinowego i śruby napędowej zawsze w najkorzystniejszym dla każdego punkcie pracy na charakterystyce, co redukuje zużycie paliwa, toksyczność spalin. Taki układ napędowy daje możliwość napędzania śruby za pomocą jednego lub kilku silników spalinowych bez przekładni mechanicznej, płynne sterowanie pracą śruby, brak wału napędowego szczególnie na jednostkach z maszynownią na śródokręciu. Wadą jest koszt takiego napędu.

Maszyna indukcyjna (asynchroniczna)[edytuj | edytuj kod]

Ze względu na sposób wykonania wirnika silniki indukcyjne można podzielić na:

Silnik indukcyjny jest najtańszym silnikiem elektrycznym. Ponad 95% maszyn elektrycznych w przemyśle (pod względem ilości, nie mocy) stanowią silniki indukcyjne trójfazowe (choć wymienione wyżej silniki synchroniczne, posiadają kilka zalet, których pozbawione są silniki indukcyjne - takie jak możliwość kontrolowania współczynnika mocy, proporcjonalność pomiędzy momentem a napięciem wejściowym, prędkość zależną tylko od częstotliwości na wejściu i ilości biegunów, większą wnękę powietrzną i lepszą adaptację do momentu pulsującego obciążenia).

Maszyna prądu stałego[edytuj | edytuj kod]

Wymienione wyżej maszyny prądu zmiennego (zarówno silniki jak i generatory) są znacznie prostsze niż maszyny prądu stałego. Silniki prądu zmiennego są również tańsze niż silniki prądu stałego. Z tego względu (jak i również dlatego, że napięcie łatwiej przekształcać w układach prądu zmiennego) maszyny prądu zmiennego spotyka się najczęściej. Z tego też względu przesył energii następuje po liniach prądu zmiennego. Tym niemniej w niektórych okolicznościach stosuje się zarówno przesył po liniach prądu stałego (zob. HVDC) jak i wykorzystuje się silniki prądu stałego.

  • Silnik prądu stałego - Maszyny prądu stałego zwykle posiadają komutator, co powoduje, że mogą być zasilane prądem stałym, bądź produkują prąd stały, chociaż w uzwojeniach twornika indukowane są napięcia przemienne i płyną prądy przemienne w czasie. Podstawową zaletą maszyn komutatorowych jest łatwość sterowania nimi i regulacji. Podstawową wadą natomiast jest występowanie ruchomego zestyku szczotki-komutator oraz stosunkowo duży koszt wykonania. Zawodne i niewygodne w utrzymaniu komutatorowe maszyny prądu stałego z czasem zostały wyparte przez efektywniejsze energetycznie silniki indukcyjne (wymienione wyżej) oraz bezszczotkowe silniki elektryczne (najczęściej z magnesem trwałym). Bezszczotkowy silnik elektryczny (silnik BLDC ang. Brushless Direct Current) może być pewną odmianą silnika synchronicznego. Stosowany jest w każdym komputerze do napędu wszystkiego – od wiatraczka po dysk twardy, a także jako serwomotory (silniki serwomechanizmu) w obrabiarkach CNC i innych maszynach. Uzwojenia tej maszyny są zasilane przez układ elektroniczny, który w odpowiednim momencie na podstawie pomiaru położenia wirnika z magnesami trwałymi steruje prądem w uzwojeniach stojana. Zaletą takiego silniczka jest brak komutatora i szczotek oraz możliwość precyzyjnego sterowania. Stosowany przy małych mocach – ograniczeniem są między innymi magnesy.
  • Prądnica prądu stałego

Wyróżnia się również następujący podział ze względu na sposób zasilania uzwojenia wzbudzenia:

Ze względu na sposób połączenia uzwojenia wzbudzenia z uzwojeniem twornika wśród maszyn samowzbudnych rozróżnia się:

Transformator[edytuj | edytuj kod]

 Osobny artykuł: Transformator.

Transformatory służą do przetwarzania energii elektrycznej na energię elektryczną o innych parametrach (głównie wartości napięć i prądów elektrycznych, choć stosuje się je również np. do zmiany trójfazowego układu napięć na układ sześciofazowy).

Elektromaszynowe elementy automatyki[edytuj | edytuj kod]

Maszyny i mikromaszyny elektryczne specjalnego zastosowania w układach automatyki, robotyki, itp. Z tego względu występuje znaczna różnorodność typów i konstrukcji mikromaszyn często nie przypominających wyglądem i zasadą działania maszyn dużych.

Przypisy

  1. Władysław Latek, Teoria maszyn elektrycznych, rozdział: 3.1. Pojęcia podstawowe, Warszawa, Wyd. Naukowo-Techniczne, ss. 69, 1982, ISBN 83-204-0335-9
  2. Władysław Latek, Teoria maszyn elektrycznych, rozdział: 1.1. Wiadomości ogólne, Warszawa, Wyd. Naukowo-Techniczne, ss. 21, 1982, ISBN 83-204-0335-9
  3. Encyklopedia PWN wersja internetowa [1]
  4. Antoni M.Plamitzer, Maszyny elektryczne, rozdział 1.1.: Zadania oraz klasyfikacja maszyn i transformatorów, Warszawa, Wyd. Naukowo-Techniczne, ss. 35, 1982, ISBN 83-204-0408-8
  5. Józef Węglarz, "Maszyny elektryczne", rozdział 3: "Transformatory", Warszawa Wyd. Naukowo-Techniczne, ss. 196 1968