Silnik elektryczny i prądnica

Silnik elektryczny to urządzenie, w którym energia elektryczna zamieniana jest na energie mechaniczną, zwykle w postaci energii ruchu obrotowego. Moment obrotowy powstaje w silniku elektrycznym w wyniki oddziaływania pola magnetycznego i prądu elektrycznego (czyli tzw. siła elektrodynamiczna). Silnik elektryczny składa się ze stojana (z osadzoną parą lub kilkoma parami uzwojeń elektromagnesów) oraz z uzwojeniem twornikowym. Zależnie od prądu zasilającego rozróżnia się: silnik elektryczny prądu stałego, silnik elektryczny prądu przemiennego oraz silniki uniwersalne.

Prąd stały charakteryzuje się stałą wartością natężenia oraz płynącego w jednym kierunku. Przeciwne bieguny magnetyczne przyciągają się, dlatego takie same bieguny magnetyczne będą się odpychały. Te siły powodują obrót cewki na wale, tak by różnoimienne (czyli różne) bieguny znajdywały się jak najbliżej siebie. W tym położeniu nie działają już inne siły, które mogłyby powodować dalszy ruch obrotowy cewki elektromagnesu. Ale właśnie wtedy działa komutator, czyli automatyczny przełącznik kierunku przepływu prądu przez cewkę. W prostym silniku prądu stałego komutator składa się z miedzianej obręczy przeciętej na połowę wzdłuż średnicy i zamontowanego na walewirnika poprzez warstwę izolacyjną. Do obu połówek obręczy przyłączone są wyprowadzenia z końców cewki elektromagnesu. Prąd doprowadzany jest dwiema szczotkami węglowymi dotykającymi do przeciwnych stron obręczy. Wraz z obracaniem się wirnika każda ze szczotek styka się z jedną, a potem z drugą częścią komutatora.

Zaletą prądu stałego jest to, że w przypadku zasilania takim prądem wartość chwilowa dostarczanej mocy jest stała, co ma duże znaczenie dla wszelkich układów wzmacniania i przetwarzania sygnałów. Większość półprzewodnikowych układów elektronicznych zasilana jest prądem stałym (a przynajmniej napięciem stałym). Główną zaletą takiego rozwiązania jest to, że urządzenia zawierające układy elektroniczne mogą być zasilane bezpośrednio z przenośnych źródeł energii (baterii lub akumulatorów).

Taką samą moc, jak i energię można przesłać przy różnych wartościach napięcia i prądu. Przepływający prąd stały powoduje powstanie strat cieplnych w przewodniku, których wartość jest wprost proporcjonalna do kwadratu wartości natężenia prądu. Przy układach o wyższej mocy dąży się do zasilenia jak najwyższym napięciem, co prowadzi do obniżenia wartości natężenia prądu (czyli takiej samej wymaganej mocy). Transformacja prądu stałego nie jest możliwa. Jednym z najpopularniejszych źródeł prądu stałego jest bateria. Prąd stały np. bateria lub akumulator ulegają procesowi rozładowania, co powoduje powolny spadek wartości napięcia - nie jest to więc prąd całkowicie stały. Silniki elektryczne prądu stałego dzielimy na:
* szeregowe: prędkość obrotowa zmienia się wraz ze wzrostem obciążenia. Maja skłonność do "rozbiegania się" po odłączeniu obciążenia, są stosowane w trakcji elektrycznej i dźwigniach;
* równoległe: prędkość obciążenia jest niezależna od obciążenia, są stosowane np. do napędzania obrabiarek;
*szeregowo-równoległe są stosowane do napędzania maszyn o stałej prędkości obrotowej i dużych momentach obrotowych.

Prąd przemienny jest charakterystycznym przypadkiem prądu elektrycznego okresowo zmiennego, w którym wartości chwilowe podlegają zmianą w powtarzalny, okresowy sposób. Wartości chwilowe natężenia prądu przemiennego przyjmują nieprzemiennie wartości dodatnie i ujemne (stąd też wzięła się nazwa "przemienny"). Najczęściej pożądanym jest: wartość średnia całookresowa (tzw. składowa stała) wynosząca zero.

Stosunkowo największe znaczenie praktyczne mają prąd i napięcie o przebiegu sinusoidalnym. Dlatego też, w żargonie technicznym często nazwa prąd przemienny oznacza po prostu prąd sinusoidalny. Jeśli zakłócenia lub nieliniowość powodują zdeformowanie sinusoidalnego kształtu, wówczas taki niesinusoidalny przebieg nosi nazwę przebiegu odkształconego.

Silniki prądu przemiennego dzielą się na 1- i 3-fazowe, a w zależności od zasady działania na indukcyjne (maszyna indukcyjna), synchroniczne (maszyna synchroniczna) i komutatorowe (maszyna komutatorowa). Maszyna indukcyjna składa się z 2 podstawowych części: nieruchomego stojana i ruchomego wirnika. Przemienny prąd stojana powoduje powstanie zmiennego pola magnetycznego (pole wirujące), które w wyniku indukcji elektromagnetycznej (stąd nazwa silnik indukcyjny) wywołuje prąd elektryczny w uzwojeniach wirnika. Oddziaływanie uzwojeń stojana i wirnika powoduje ruch. Silniki te stosowane są do napędzania maszyn o nieregulowanej prędkości obrotowej. Najtańszą i najprostszą budową silnika indukcyjnego jest silnik indukcyjny klatkowy, charakteryzuje się on tym iż wirnik ma uzwojenie w kształcie klatki, wykonanej jako odlew aluminiowy lub zespół pretów zwartych na swych czołach pierścieniami. Silniki elektryczne synchroniczne różnią się od indukcyjnych budową wirnika, który jest wyposażony dodatkowo w elektromagnesy zasilane prądem stałym ze wzbudnicy osadzonej na wale wirnika. Maszyny komutatorowe stosuje się do regulacji silników indukcyjnych - komutatorowy przesuwnik fazowy i komutatorowa przetwornica częstotliwości. Również stosowane są w przemyśle włókienniczym, papierniczym, a także małej mocy w różnych urządzeniach codziennego użytku.Silniki elektryczne uniwersalne, mogą być zasilane prądem stałym, jak i prądem przemiennym, stosowane głównie do sprzętu gospodarstwa domowego, maszyn biurowych, itp..

Odrębnym rodzajem silnika elektrycznego jest silnik liniowy, przetwarzający energię elektryczną bezpośrednio na energię ruchu postępowego. Silnik liniowy składa się z induktora i bieżnika, które są odpowiednikami stojana i wirnika zwykłego silnika elektrycznego, lecz rozwiniętymi w linię prostą. Częścią ruchomą silnika może być zarówno induktor, jak i bieżnik. Głównymi zaletami tego rodzaju silnika są: brak styczności mechanicznej między induktorem a bieżnikiem, idealnie cicha praca, dobre chłodzenie, brak ślizgowych zestyków doprowadzających prąd, łatwość sterowania, możliwość uzyskiwania różnych przebiegów zależności siły od prędkości, możliwość prostego łączenia kilku silników liniowych w jeden zespół o większej mocy. Rozróżnia się silniki elektryczne liniowe prądu stałego, prądu przemiennego, synchroniczne, asynchroniczne, oscylacyjne itp.. Do najnowszych konstrukcji należą silniki o poprzecznym strumieniu magnetycznym (tzw. transverse-flux motor) nadające się przede wszystkim do napędzania szybkich pojazdów poruszających się na poduszce powietrznej lub magnetycznej. Silniki elektryczne liniowe stosuje się głównie w automatyce, w napędach specjalnych oraz w trakcji elektrycznej.

PRĄDNICA

Prądnica (generator) to maszyna elektryczna zamieniająca energie mechaniczną na energie elektryczną. Przy konstrukcji prądnic wykorzystano zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Główne jej części to: stojan (stator; część nieruchoma związana z podłożem) oraz wirnik (rotor; część wirująca umieszczona wewnątrz stojana). Energię mechaniczną doprowadza do prądnicy silnik (np. spalinowy, elektryczny, wodny itp.) obracający wał, na którym jest umieszczony wirnik. Zawiera on cewkę zasilaną prądem elektrycznym, wytwarzającą strumień magnetyczny wirujący z prędkością obrotową wirnik powoduje przemienne przenikanie tego strumienia przez uzwojenie cewki o zwojach, umieszczonej w stojanie. Dzięki temu indukuje się w niej napięcie źródłowe (siła elektromotoryczna) E = Φnz. Stojan i wirnik zawierają zwykle kilka cewek odpowiednio połączonych, niekiedy strumień magnetyczny jest wytworzony przez stojan, a siła elektromotoryczna powstaje w uzwojeniu wirnika. W prądnicy prądu stałego wzbudzona przemienna siła elektromotoryczna jest prostowana za pomocą komutatora, w prądnicy prądu przemiennego natomiast siła elektromotoryczna jest doprowadzana do zacisków wyjściowych bezpośrednio (gdy uzwojenie twornikowe znajduje się w stojanie) lub za pośrednictwem pierścieni ślizgowych (gdy uzwojenie twornikowe mieści się w wirniku). Zależnie od sposobu zasilania uzwojenia wytwarzającego strumień magnet. rozróżnia się prądnice prądu stałego: obcowzbudne, bocznikowe, szeregowo-bocznikowe lub szeregowe. Prądnice prądu przemiennego są wykonywane najczęściej jako prądnice synchroniczne i używane w elektrowniach. Wśród prądnic synchronicznych rozróżnia się turbogeneratory (prądnice szybkoobrotowe, 3000 obrotów/min, napędzane turbinami parowymi), hydrogeneratory (prądnice wolnoobrotowe, 75–250 obrotów/min, napędzane turbinami wodnymi) oraz inne prądnice wolnoobrotowe napędzane silnikami spalinowymi lub parowymi tłokowymi. Moce prądnic synchronicznych dochodzą do 1 GW. Pierwszy model prądnicy zbudował 1831 M. Faraday, prototyp prądnicy użytkowej 1866 — E.W. Siemens, prądnicę synchroniczną wynalazł 1878 P.N. Jabłoczkow.

Najprostszą prądnicą jest dynamo. Jest to prądnica wykorzystująca zjawisko indukcji elektromagnetycznej gdy przewodnik jest nieruchomy, a magnes porusza się. Wokół magnesu powstaje zmienne pole elektromagnetyczne.

Zasilanie trójfazowe

Generatory w elektrowniach mają trzy niezależne zestawy cewek, w których indukuje się przemienne napięcie. Podczas obrotu wirnika generatora napięcie osiąga szczyt po kolei w każdym z zestawów cewek - mamy do czynienia z trzema fazami. Prąd trójfazowy przesyłany jest czterema przewodami: trzema fazowymi i jednym wspólnym, uziemionym, tzw. zerem fazowym (piąty przewód bywa podłączany jako uziemienie ochronne, niezależne od zera fazowego). Standardowo w Europie napięcie pomiędzy każdym z przewodów fazowych, a przewodem wspólnym wynosi 220 V. Gdyby napięcie na każdym z przewodów fazowych zmieniało się dokładnie identycznie i jednocześnie, to pomiędzy nimi nie występowałaby żadna różnica napięć. Lecz przesunięcie fazowe przebiegów napięcia o 120 powoduje, że pomiędzy przewodami fazowymi napięcie wynosi 380 V. Trójfazowe zasilanie jest korzystne wszędzie tam, gdzie pracują urządzenia zużywające dużo energii. Stosowane są w nich trójfazowe silniki elektryczne projektowane specjalnie do pracy pod napięciem 380 V.

Generator Van de Graaffa

Maszyną indukcyjną o dużym znaczeniu praktycznym jest generator zbudowany w 1931 roku przez Van de Graaffa. Ruchomy pas wykonany z materiału izolującego przenosi ładunki do metalowej sfery, napięcie na której osiąga w końcu wartość paru milionów woltów. Generatorów takich używa się do testowania izolatorów i innego sprzętu, który powinien wytrzymać wysokie napięcia. Wykorzystuje się je również w badaniach nad cząstkami elementarnymi, używając tak wysokich napięć do rozpędzania naładowanych cząstek do ogromnych prędkości. Maszyny indukcyjne mogą wytwarzać naprawdę olbrzymie napięcia, jednakże zupełnie nie nadają się do ciągłego dostarczania dużych prądów. Dopiero ogniwo, skonstruowane w latach 90-tych XVIII w. przez Włocha Alessandro Voltę nadawało się do tego celu. Wprowadzanie rozlicznych ulepszeń do tej konstrukcji doprowadziło do tego, że w drugiej połowie XIX wieku zaczęto używać elektryczności do oświetlania pomieszczeń. Chociaż baterie w wielu zastosowaniach są po prostu niezastąpione, to z czasem rozładowują się i wymagają ponownego naładowania lub zastąpienia nowymi. Są więc nieprzydatne do zaopatrywania w energię potrzebną większej ilości ludzi do oświetlania lub ogrzewania ich domów.