Maszyna elektryczna - Polski Serwis Naukowy

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 różnią się, przykłady definicji:

Silnik synchroniczny - silnik elektryczny prądu przemiennego, w którym prędkość wirowania wirnika jest równa prędkości wirowania pola magnetycznego wytworzonego przez nieruchome uzwojenia stojana.
Falownik – (z ang. inverter) urządzenie elektryczne zamieniające prąd stały, którym jest zasilane, na prąd przemienny o regulowanej częstotliwości wyjściowej. Jeśli w falowniku zastosuje się modulację szerokości impulsów oznaczaną w języku polskim skrótem MSI, a w języku angielskim PWM (Pulse Width Modulation), to równocześnie ze zmianą częstotliwości można regulować wartość skutecznego napięcia wyjściowego.

Urządzenie, które na zasadzie indukcji magnetycznej przetwarza energię, albo bez udziału ruchu mechanicznego (transformator), albo z udziałem ruchu mechanicznego (maszyna elektryczna wirująca albo liniowa). W układach elektromaszynowych następuje przetwarzanie energii mechanicznej na elektryczną (w prądnicach), elektrycznej na mechaniczną (w silnikach) albo elektrycznej jednego rodzaju na elektryczną innego rodzaju (w transformatorach i przetwornicach).

Urządzenie elektromechaniczne przetwarzające energię mechaniczną na elektryczną (prądnica), elektryczną na mechaniczną (silnik elektryczny) lub elektryczną na elektryczną o innych parametrach (przetwornica elektryczna);

Do najbardziej popularnych maszyn elektrycznych należą:

Prądnica prądu przemiennego (generator prądu przemiennego) to maszyna elektryczna przetwarzająca energię mechaniczną, pobieraną z zewnętrznego urządzenia napędzającego prądnicę, na energię elektryczną w postaci przemiennego prądu. Do tego celu wykorzystuje się zjawisko indukowania siły elektromotorycznej w wyniku ruchu przewodnika w polu magnetycznym indukcji elektromagnetycznej. Prądnice prądu przemiennego dzielą się (ze względu na różnice w konstrukcji) na prądnice asynchroniczne i synchroniczne, oraz (ze względu na liczbę faz) na prądnice jednofazowe i wielofazowe. Prądnica prądu przemiennego stanowi odwrócenie silnika elektrycznego. W przypadku silnika energia elektryczna była zmieniana na pracę mechaniczną. W prądnicy natomiast praca zostaje zmieniona na energię elektryczną. Prądnica składa się z części nieruchomej zwanej stojanem i ruchomej zwanej wirnikiem.
Prądnica, generator elektryczny – maszyna elektryczna (dawne nazwy: dynamo-maszyna, dynamo) zamieniająca energię mechaniczną na energię elektryczną. Wytwarzanie energii elektrycznej odbywa się w prądnicach dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej. Odbywa się to na skutek względnego ruchu przewodnika i zewnętrznego pola magnetycznego.

Maszyny synchroniczne (silnik synchroniczny, generator synchroniczny)

Maszyny indukcyjne (silnik asynchroniczny, generator asynchroniczny)

Maszyny komutatorowe (silniki komutatorowe prądu stałego i zmiennego oraz prądnice prądu stałego)

Transformatory

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.

Współczynnik mocy (ang. power factor) – cosφ jest miarą wykorzystania energii. Współczynnik mocy obwodu elektrycznego charakteryzuje zdolność tego obwodu do odbioru energii elektrycznej w stosunku do wydolności energetycznej źródła zasilania. Inaczej mówiąc, jeśli odbiornik jest w stanie przyjąć całkowitą moc źródła, to współczynnik mocy takiego obwodu jest równy jedności - jest to możliwe wtedy gdy jest spełnione prawo Ohma. Przyczynami powodującymi, że współczynnik mocy jest mniejszy od jedności, jest występowanie w obwodach zjawisk akumulacji energii oraz odkształcenia przebiegów prądu w stosunku do napięcia zasilania.
Silnik elektryczny asynchroniczny jest maszyną elektryczną zmieniającą energię elektryczną w energię mechaniczną, w której wirnik obraca się z poślizgiem w stosunku do wirującego pola magnetycznego wytworzonego przez uzwojenia stojana.

Według wielu autorów 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.

Prądnica prądu przemiennego (generator prądu przemiennego) to maszyna elektryczna przetwarzająca energię mechaniczną, pobieraną z zewnętrznego urządzenia napędzającego prądnicę, na energię elektryczną w postaci przemiennego prądu. Do tego celu wykorzystuje się zjawisko indukowania siły elektromotorycznej w wyniku ruchu przewodnika w polu magnetycznym indukcji elektromagnetycznej. Prądnice prądu przemiennego dzielą się (ze względu na różnice w konstrukcji) na prądnice asynchroniczne i synchroniczne, oraz (ze względu na liczbę faz) na prądnice jednofazowe i wielofazowe. Prądnica prądu przemiennego stanowi odwrócenie silnika elektrycznego. W przypadku silnika energia elektryczna była zmieniana na pracę mechaniczną. W prądnicy natomiast praca zostaje zmieniona na energię elektryczną. Prądnica składa się z części nieruchomej zwanej stojanem i ruchomej zwanej wirnikiem.
Energia gr. ενεργεια (energeia) – skalarna wielkość fizyczna charakteryzująca pod względem ilościowym stan układu fizycznego (materii) (z punktu widzenia termodynamiki niektóre formy energii są funkcjami stanu i potencjałami termodynamicznymi), stan i wzajemne oddziaływania obiektów fizycznych (ciał, pól, cząstek, układów fizycznych), przemiany fizyczne i chemiczne oraz wszelkiego rodzaju procesy występujące w przyrodzie.

Maszyna synchroniczna

Animowany schemat maszyny synchronicznej

Generator synchroniczny

Silnik synchroniczny

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.

Energia mechaniczna — suma energii kinetycznej i potencjalnej. Jest postacią energii związaną z ruchem i położeniem obiektu fizycznego (układ punktów materialnych, ośrodka ciągłego itp.) względem pewnego układu odniesienia.
Alternator to prądnica prądu przemiennego, często trójfazowa. Służy do zmiany energii mechanicznej w prąd przemienny. W alternatorze prąd jest wytwarzany w nieruchomych uzwojeniach stojana przez wirujące pole magnetyczne wirnika. Stosowany jest powszechnie jako źródło prądu w pojazdach mechanicznych. Pierwszy alternator skonstruował Nikola Tesla w 1891 i opatentował go w USA pod numerem 447921.

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:

Silnik elektryczny asynchroniczny jest maszyną elektryczną zmieniającą energię elektryczną w energię mechaniczną, w której wirnik obraca się z poślizgiem w stosunku do wirującego pola magnetycznego wytworzonego przez uzwojenia stojana.
CNC (ang. Computerized Numerical Control - komputerowe sterowanie urządzeń numerycznych) - układ sterowania numerycznego, wyposażony w mikrokomputer który można dowolnie interaktywnie zaprogramować. Układy CNC sterują obsługą graficznego monitora, na którym wyświetlane są programy NC, informacje o narzędziach, informacje korekcyjne narzędzi które są bardzo istotne przy skrawaniu powierzchni o różnych kątach nachylenia w stosunku do osi Z (oś Z we wszystkich maszynach CNC jest równoległą do głównego ruchu roboczego), parametrów obróbczych, poprawność programu, integrują maszynę z innymi systemami komputerowymi.

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.

Moc pozorna - (S, VA) wielkość fizyczna określana dla obwodów prądu przemiennego. Wyraża się ją jako iloczyn wartości skutecznych napięcia i natężenia prądu:
Prądnica prądu stałego - prądnica, przetwarzająca energię mechaniczną ruchu obrotowego na energię elektryczną prądu stałego. Składa się z części nieruchomej zwanej stojanem i z części ruchomej, zwanej wirnikiem. Wirnik służy do wytwarzania prądu elektrycznego. Wiruje on w polu magnetycznym wytwarzanym przez magnes stały lub uzwojenie stojana zasilane zewnętrznym źródłem prądu stałego. Prąd elektryczny jest odbierany z komutatora znajdującego się na osi wirnika przy pomocy szczotek grafitowych, umieszczonych na stojanie.

Pewną odmianą silnika synchronicznego jest bezszczotkowy silnik elektryczny (silnik BLDC ang. Brushless Direct Current) stosowany w każdym komputerze do napędu wszystkiego – od wiatraczka po dysk twardy, a także jako serwomotory 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.

Komutator – element przełączający umieszczany na wirniku komutatorowych maszyn elektrycznych (silników prądu stałego i generatorów prądu stałego zwanych także prądnicami). Komutator umożliwia przepływ prądu elektrycznego do wirnika z synchronicznym z obrotem wirnika przełączaniem kierunku prądu w uzwojeniach wirnika. Komutator zbudowany jest z dielektrycznego walca o wysokiej odporności temperaturowej, nałożonego na oś wirnika. Na powierzchni walca umieszczone są wzdłużnie sekcje, najczęściej miedziane. Do nich podłączone są kolejne uzwojenia wirnika. Sekcje izolowane są między sobą przy pomocy polimerowych przekładek. Po powierzchni walca ślizgają się grafitowe szczotki dociśnięte przy pomocy sprężyn.
Silnik pierścieniowy rodzaj silnika asynchronicznego, o uzwojonym wirniku, w którym końce uzwojeń wirnika wyprowadzone są poprzez pierścienie ślizgowe i szczotki na zewnątrz maszyny.

czytaj dalej: [2], [3]

w oparciu o Wikipedię (licencja GFDL, CC-BY-SA 3.0, autorzy, historia, edycja)