PODSTAWY TEORII MASZYN ELEKTRYCZNYCH

WACŁAW MATULEWICZ
PODSTAWY TEORII
MASZYN ELEKTRYCZNYCH
GDAŃSK 2014
PRZEWODNICZĄCY KOMITETU REDAKCYJNEGO
WYDAWNICTWA POLITECHNIKI GDAŃSKIEJ
Janusz T. Cieśliński
RECENZENT
Zdzisław Gientkowski
REDAKCJA JĘZYKOWA
Agnieszka Frankiewicz
PROJEKT OKŁADKI
Wioleta Lipska-Kamińska
Wydano za zgodą
Rektora Politechniki Gdańskiej
Oferta wydawnicza Politechniki Gdańskiej jest dostępna pod adresem
http://www.pg.edu.pl/wydawnictwo/katalog
zamówienia prosimy kierować na adres [email protected]
Utwór nie może być powielany i rozpowszechniany, w jakiejkolwiek formie
i w jakikolwiek sposób, bez pisemnej zgody wydawcy
 Copyright by Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej
Gdańsk 2014
ISBN 978-83-7348-583-9
Spis treści
Przedmowa .....................................................................................................................
5
Wykaz zastosowanych oznaczeń ...................................................................................
7
1. Informacje ogólne ......................................................................................................
1.1. Podstawowe zależności zjawisk elektromagnetycznych ....................................
1.2. Elementy maszyn elektrycznych. Definicje ........................................................
1.3. Rodzaje pól magnetycznych stosowanych w maszynach elektrycznych ............
1.4. Moment elektromagnetyczny .............................................................................
1.5. Podstawowe pojęcia z eksploatacji maszyn elektrycznych ................................
11
11
16
21
27
30
2. Transformatory .........................................................................................................
2.1. Zasada działania .................................................................................................
2.2. Właściwości elektromagnetyczne .......................................................................
2.2.1. Stan jałowy ...............................................................................................
2.2.2. Stan obciążenia .........................................................................................
2.2.3. Stany zwarcia ............................................................................................
2.3. Budowa transformatora ......................................................................................
2.4. Układy połączeń transformatorów i zastosowania transformatorów ..................
2.5. Podstawowe obliczenia .......................................................................................
2.6. Praca równoległa transformatorów .....................................................................
2.7. Konstrukcje specjalne .........................................................................................
2.7.1. Autotransformator ....................................................................................
2.7.2. Transformator trójuzwojeniowy ...............................................................
2.7.3. Transformatory do zmiany liczby faz .......................................................
37
37
41
43
47
52
57
63
75
80
86
86
89
92
3. Maszyny prądu stałego ..............................................................................................
3.1. Zasada działania .................................................................................................
3.2. Budowa maszyn prądu stałego ...........................................................................
3.3. Właściwości elektromagnetyczne .......................................................................
3.4. Podstawowe zależności w maszynach prądu stałego ..........................................
3.5. Zastosowania ......................................................................................................
3.5.1. Prądnice prądu stałego ..............................................................................
3.5.2. Silniki prądu stałego .................................................................................
3.6. Sterowanie maszynami prądu stałego .................................................................
3.6.1. Sterowanie silnikami ................................................................................
3.6.2. Sterowanie prądnicami .............................................................................
93
93
94
96
102
103
103
111
115
115
121
4. Maszyny asynchroniczne ...........................................................................................
4.1. Zasada działania .................................................................................................
4.2. Właściwości maszyn asynchronicznych .............................................................
4.2.1. Próba biegu jałowego ...............................................................................
4.2.2. Próba zwarcia ...........................................................................................
4.2.3. Wykres fazorowy maszyny obciążonej ....................................................
123
123
125
129
131
134
4
4.2.4. Charakterystyka mechaniczna .................................................................. 135
4.3. Budowa maszyn asynchronicznych .................................................................... 138
4.3.1. Maszyny pierścieniowe ............................................................................ 138
4.3.2. Maszyny klatkowe .................................................................................... 139
4.4. Podstawy projektowania maszyny asynchronicznej ........................................... 141
4.5. Zastosowania specjalne maszyn asynchronicznych ............................................ 144
4.5.1. Silniki asynchroniczne .............................................................................. 144
4.5.2. Prądnice asynchroniczne .......................................................................... 149
4.5.3. Inne zastosowania ..................................................................................... 152
4.6. Sterowanie maszynami asynchronicznymi ......................................................... 153
4.6.1. Sterowanie silnikami ................................................................................ 153
4.6.2. Sterowanie prądnicami ............................................................................. 157
4.7. Silniki asynchroniczne jedno– i dwufazowe ....................................................... 157
4.7.1. Silniki jednofazowe .................................................................................. 157
4.7.2. Silniki dwufazowe .................................................................................... 160
5. Maszyny synchroniczne .............................................................................................
5.1. Zasada działania .................................................................................................
5.2. Właściwości elektromagnetyczne .......................................................................
5.2.1. Próba biegu jałowego i zwarcia maszyny synchronicznej ........................
5.2.2. Charakterystyki pracy ustalonej prądnicy synchronicznej ........................
5.3. Budowa maszyn synchronicznych ......................................................................
5.3.1. Maszyny z biegunami wydatnymi ............................................................
5.3.2. Maszyny z biegunami utajonymi ..............................................................
5.3.3. Inne wykonania ........................................................................................
5.4. Podstawy projektowania .....................................................................................
5.5. Praca równoległa prądnic synchronicznych ........................................................
5.5.1. Warunki pracy równoległej ......................................................................
5.5.2. Sprawdzanie warunków prawidłowej synchronizacji ...............................
5.6. Sterowanie maszynami synchronicznymi ...........................................................
5.6.1. Praca generatora synchronicznego w systemie elektroenergetycznym ....
5.6.2. Sterowanie silnikiem synchronicznym .....................................................
5.7. Charakterystyki kątowe maszyn synchronicznych .............................................
5.8. Wykres obciążalności turbogeneratora ...............................................................
5.9. Kołysania mechaniczne wirników maszyn synchronicznych .............................
5.10. Samosynchronizacja maszyny synchronicznej ...................................................
5.11. Praca asynchroniczna generatora ........................................................................
163
163
164
169
171
174
174
177
179
181
183
183
187
188
188
190
192
194
196
198
200
6. Inne rozwiązania konstrukcyjne maszyn elektrycznych wirujących .................... 203
6.1. Silniki komutatorowe jednofazowe .................................................................... 203
6.2. Prądnice induktorowe ......................................................................................... 208
6.3. Silniki krokowe ................................................................................................... 209
7. Załączniki ...................................................................................................................
7.1. Procedury załączania transformatora trójfazowego do pracy równoległej .........
7.2. Uzwojenia maszyn wirujących prądu przemiennego ..........................................
7.3. Uzwojenia komutatorowych maszyn prądu stałego ............................................
211
211
214
218