Maszyny elektryczne – to klasyczny dział elektrotechniki. Dyscyplina ta wykładana jest we wszystkich uczelniach technicznych w kraju i za granicą. Przetworniki elektromechaniczne, bo również taką fachową nazwę noszą maszyny elektryczne, można napotkać obecnie praktycznie wszędzie. Ich mocy to miliwaty mikrosilników obracających wskazówki ręcznych zegarków, poprzez typowe klikudziesięciokilowatowe napędy przemysłowe, do generatorów synchronicznych – jednostek o mocy bliskiej 2 tysięcy megawatów. Niektóre maszyny obsługując nieskomplikowane technologie, wirują ze stałą prędkością, inne realizują bardzo złożone, trójwymiarowe trajektorie łącząc ruch obrotowy, liniowy i drgający. Nie ma wątpliwości – bez maszyn elektrycznych niemożliwy byłby dalszy posęp cywilizacyjny.

Pierwszy poprawnie technicznie silnik elektryczny skonstruował w 1834 roku Moritz Hermann Jacobi. Silnik ten był zastosowany do napędu statku transportującego pasażerów i towarów po Newie. W rozwoju maszyn elektrycznych czynny udział brali także polscy naukowcy i wynalazcy. W tym miejscu należy wspomnieć choćby Michała Doliwo – Dobrowolskiego, pioniera techniki prądu 3-fazowego, konstruktora 3-fazowej prądnicy prądu przemiennego, silnika indukcyjnego klatkowego i transformatora 3-fazowego (1888-1890). To Doliwo – Dobrowolski wprowadził do teorii elektrotechniki pojęcie współczynnika mocy cosφ. Kolejny polski uczony – Aleksander Rother – demiurgiem współczesnych, dokładnych metod obliczania maszyn prądu przemiennego. Ten znakomity teoretyk i konstruktor, był twórcą pojęcia oddziaływania twornika w maszynach, pierwszym doktorem honoris causa Politechniki Warszawskiej (1925 r.).

Maszyny elektryczne pomimo swej już ponad 150 letniej historii, stanowią nadal ustroje o wyjątkowo dużej dynamice rozwojowej. W ich dziedzinie można odnaleźć ciekawe, ale i trudne, problemy identyfikacji pól: elektrycznych, magnetycznych, a także pochodzenia grawitacyjnego. Stale obecne są tu zagadnienia mechaniczne, elektroniczne, zasilania i sterowania.

Podręcznik akademicki, którzy autorzy mają niniejszy zaszczyt przekazać do rąk Czytelników, jest opracowaniem specjalizowanym, przeznaczonym do wykorzystania głownie w dydaktyce przedmiotu Maszyny elektryczne, wykładanego na Wydziale Elektrycznym Politechniki Warszawskiej, jak również w wielu innych szkołach wyższych o profilu technicznym. Przedmiot ten jest bazowy dla kształcenia magistra inżyniera elektryka.

Ze względu na zakres tematyczny, zróżnicowaną skalę trudności zadań i stopień ujawnienia metody rozwiązywania podręcznik przeznaczony jest dla:

• Studentów uczelni technicznych 2 i 3 roku studiów dziennych, wieczorowych i zaocznych kursu podstawowego na kierunku elektrotechnika jako literatura podstawowa do programu wykładu i Laboratorium Maszyn Elektrycznych,

• Studentów wyższych lat studiów, dyplomantów i doktorantów na specjalnościach maszyny elektryczne bądź elektrodynamika techniczna

• Studentów i doktorantów innych kierunków studiów takich jak automatyka i robotyka, mechatronika i energetyka.

Trudniejsze zadania mogą być użyteczne dla pracowników naukowych realizujących program zajęć na studiach doktoranckich o omawianym profilu oraz dla osób zajmujących się zawodowo obliczaniem i eksploatacją maszyn elektrycznych pracujących w układach napędowych. Podręcznik może ponadto stanowić literaturę uzupełniającą do innych przedmiotów specjalistycznych z zakresu analizy i obliczeń przetworników elektromechanicznych.

Idea przygotowania podręcznika wynikła z braku planie zajęć dla kursu ogólnego studentów politechnik ćwiczeń rachunkowych i projektowych z maszyn elektrycznych. Podręcznik uzupełni program badan laboratoryjnych maszyn o podstawowe zagadnienia obliczeniowe z ich eksploatacji. Przestudiowanie pełnych rozwiązań zadań, jak również samodzielne rozwiązanie wskazanych pozycji umożliwi łatwiejsze i pełniejsze zrozumienie zasad działania teorii maszyn. W rezultacie ułatwi to zestawienie układów pomiarowych w laboratorium, wyznaczenie charakterystyk i parametrów silników oraz prądnic, a także przygotowanie odpowiednich sprawozdań i formułowanie wniosków. Treść opracowania oparta została w dużej mierze na materiale i programie ćwiczeń specjalizowanych laboratoriów Instytutu Maszyn Elektrycznych Politechniki Warszawskiej. Aktualnie nie jest dostępne na rynku księgarskim nowe opracowanie w omawianym zakresie.

Ze względu na obserwowane zastosowania maszyn elektrycznych, odstąpiono od zwyczajowej, równej objętości rozdziałów, charakteryzujących poszczególne konstrukcje. Odnotowana współcześnie ekspansja maszyn prądu przemiennego – zwłaszcza indukcyjnych – spowodowała potrzebę rozszerzenia tych właśnie partii materiału. Jako obiekty starano się dobrać nowoczesne, aktualnie produkowane i eksploatowane jednostki – transformatory 3-fazowe oraz silniki elektryczne. Ich dane znamionowe i konstrukcyjne zamieszczono w załączonym Dodatku. Stanowi, on zdaniem autorów, zbiór informacji, które mogą być wykorzystywane przez dydaktyków oraz studentów do samodzielnego układania i rozwiązywania zadań. Wiele przykładów rachunkowych dotyczy także konkretnych maszyn, pracujących na stanowiskach pomiarowych IME PW; rozwiązane przykłady dodatkowo zatem zilustrują wyniki uzyskane przez ćwiczących podczas kolejnych sesji pomiarowych.

Studentów i doktorantów zainteresowanych rozszerzeniem wiedzy ponad poziom niezbędny do zaliczenia zajęć programowych, autorzy zachęcają do korzystania z pozycji literatury zebranych w bibliografii dyscypliny.

Na wstępie poszczególnych rozdziałów wskazano numery zadań zalecanych jako minimum do przestudiowania bądź samodzielnego rozwiązania przed realizacją pomiarów danego typu maszyn, np. stanu biegu jałowego, zwarcia, obciążenia itp.

W każdym z działów dotyczących określonych rodzajów maszyn umieszczone zostały:

• Trudniejsze zadania eksploatacyjne lub o charakterze projektowym, z podaniem pełnego rozwiązania, opatrzone często uwagami o charakterze teoretycznym;

• Zadania o średniej skali trudności z rozwiązaniem szkicowym bądź wskazówkami;

• Zadania bez rozwiązań, z podanymi tylko odpowiedziami.

Spis treści

Wykaz ważniejszych oznaczeń

1. TRANSFORMATORY

2. UZWOJENIA MASZYN PRĄDU PRZEMIENNEGO

3. SILNIKI INDUKCYJNE

4. MASZYNY SYNCHRONICZNE

5. MASZYNY PRĄDU STAŁEGO

Dodatek. Karty katalogowe maszyn elektrycznych, przykłady

Transformatory

Silniki indukcyjne

Maszyny synchroniczne

Maszyny prądu stałego