9

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
MINISTERSTWO EDUKACJI
NARODOWEJ
Grzegorz Śmigielski
UŜytkowanie układów elektrycznych i elektronicznych
314[03]O2.01
Poradnik dla ucznia
Wydawca
Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy
Radom 2007

1
Recenzenci:
mgr inŜ. Marcin Januszewski
mgr Paweł Masłowski
Opracowanie redakcyjne:
mgr inŜ. Grzegorz Śmigielski
Konsultacja:
dr inŜ. Marcin Chrzan
Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 314[03]O2.01
„UŜytkowanie układów elektrycznych i elektronicznych”, zawartego w modułowym
programie nauczania dla zawodu technik mechanik okrętowy.
Wydawca
Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2007

2
SPIS TREŚCI
1. Wprowadzenie 3
2. Wymagania wstępne 5
3. Cele kształcenia 6
4. Materiał nauczania 7
4.1. Podstawy teorii obwodów elektrycznych 7
4.1.1. Materiał nauczania 7
4.1.2. Pytania sprawdzające 20
4.1.3. Ćwiczenia 20
4.1.4. Sprawdzian postępów 21
4.2. Maszyny elektryczne 22
4.3. Elementy i układy elektroniczne 36
4.4. Eksploatacja i naprawa urządzeń elektrycznych 44
5. Sprawdzian osiągnięć 53
6. Literatura 58

3
1. WPROWADZENIE
Poradnik ten będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy i umiejętności o sposobach
obsługi i naprawy urządzeń elektrycznych i elektronicznych zainstalowanych na jednostkach
pływających.
W poradniku znajdziesz:
− wymagania wstępne, czyli wykaz umiejętności, jakie powinieneś mieć juŜ ukształtowane,
aby bez problemów opanować treści nauczania w ramach jednostki modułowej
UŜytkowanie układów elektrycznych i elektronicznych 314[03]O2.01,
− cele kształcenia, czyli wykaz umiejętności, jakie powinieneś nabyć podczas zajęć
w ramach tej jednostki modułowej,
− materiał nauczania, czyli niezbędne minimum wiadomości teoretycznych, wymaganych
do opanowania treści jednostki modułowej,
− zestaw pytań przydatny do sprawdzenia, czy juŜ opanowałeś wymagane treści nauczania,
− ćwiczenia, podczas których będziesz doskonalił umiejętności praktyczne w oparciu
o wiedzę teoretyczną, zaczerpniętą z poradnika i innych źródeł,
− sprawdzian osiągnięć, czyli przykładowy zestaw zadań i pytań. Pozytywny wynik
sprawdzianu potwierdzi, Ŝe dobrze wykorzystałeś zajęcia i uzyskałeś niezbędną wiedzę
i umiejętności z zakresu tej jednostki modułowej,
− wykaz literatury.
Poradnik zawiera materiał nauczania składający się z 4 rozdziałów:
− rozdział „Podstawy teorii obwodów elektrycznych”, pomoŜe Ci się zapoznać ze
zjawiskami i prawami elektrotechniki, przygotuje Cię do analizy prostych obwodów
elektrycznych,
− rozdział „Maszyny elektryczne” prezentuje budowę i zasadę działania podstawowych
maszyn elektrycznych jakie spotyka się na pokładach jednostek pływających,
− rozdział „Elementy i układy elektroniczne” prezentuje podstawowe elementy
elektroniczne stosowane w układach elektronicznych,
− rozdział „Eksploatacja i naprawa urządzeń elektrycznych”, ma Ci pomóc zapoznać się
z niektórymi zasadami eksploatacji urządzeń elektrycznych i elektronicznych.
JeŜeli masz trudności ze zrozumieniem tematu lub ćwiczenia, to poproś nauczyciela lub
instruktora o wyjaśnienie i ewentualne sprawdzenie, czy dobrze wykonujesz daną czynność.
Po przerobieniu materiału spróbuj zaliczyć sprawdzian z zakresu jednostki modułowej.
W czasie pobytu w pracowni naleŜy bezwzględnie zwrócić uwagę na przestrzeganie:
regulaminów, przepisów bhp i higieny pracy oraz instrukcji przeciwpoŜarowych,
wynikających z rodzaju wykonywanych prac. Z przepisami tymi powinieneś zapoznać się na
początku trwania nauki i bezwzględnie stosować się do nich.

4
Schemat układu jednostek modułowych
314[03]O2
Układy sterowania i regulacji
314[03]O2.01
UŜytkowanie układów elektrycznych
i elektronicznych
314[03]O2.02
UŜytkowanie układów automatyki
okrętowej

5
2. WYMAGANIA WSTĘPNE
Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:
− korzystać z róŜnych źródeł informacji,
− stosować przepisy prawne dotyczące pracownika i pracodawcy w zakresie
bezpieczeństwa i higieny pracy,
− stosować podstawowe zasady higieny i fizjologii pracy,
− organizować bezpieczne i ergonomiczne stanowisko pracy,
− dokonać oceny ryzyka zawodowego na stanowisku pracy,
− dobierać i stosować odzieŜ ochronną oraz środki ochrony indywidualnej w zaleŜności od
wykonywanych prac,
− stosować procedury udzielania pierwszej pomocy w stanach zagroŜenia zdrowia i Ŝycia,
− stosować zasady ochrony środowiska,
− korzystać z Polskich Norm, Kodeksu pracy oraz rozporządzeń dotyczących
bezpieczeństwa i higieny pracy oraz ochrony środowiska.

6
3. CELE KSZTAŁCENIA
W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:
− wyjaśnić zjawisko prądu elektrycznego oraz rozróŜnić jego źródła i rodzaje,
− rozróŜnić podstawowe wielkości elektryczne i ich jednostki,
− scharakteryzować rodzaje źródeł energii elektrycznej,
− dobrać przyrządy do pomiaru wielkości elektrycznych,
− wykonać pomiar wielkości elektrycznych,
− rozróŜnić elementy obwodu elektrycznego,
− wyjaśnić zjawiska zachodzące w obwodach elektrycznych,
− określić zasady działania i wykorzystanie podstawowych okrętowych napędów
elektrycznych,
− określić zasady pracy i sterowania okrętowych napędów elektrycznych,
− określić zasady pracy i sterowania okrętowych maszyn elektrycznych,
− wyjaśnić zasadę działania transformatora,
− rozróŜnić podstawowe zjawiska z zakresu elektrotechniki i elektroniki,
− określić zasady działania podstawowych elementów elektroniki półprzewodnikowej,
− obsłuŜyć okrętowe maszyny i urządzenia elektroniczne,
− posłuŜyć się stałymi i przenośnymi przyrządami diagnostycznymi,
− wykonać diagnostykę okrętowych układów elektroenergetycznych,
− wykonać czynności regulacyjne w okrętowych układach elektroenergetycznych,
− wykonać proste naprawy układów elektroenergetycznych,
− zastosować przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy podczas uŜytkowania urządzeń
elektronicznych.

7
4. MATERIAŁ NAUCZANIA
4.1. Podstawy teorii obwodów elektrycznych
4.1.1. Materiał nauczania
Prąd elektryczny
Prąd elektryczny jest to kaŜdy uporządkowany (skierowany) ruch ładunków
elektrycznych. Wielkością opisującą prąd elektryczny jest natęŜenie prądu elektrycznego I.
Jednostką natęŜenia prądu elektrycznego w układzie SI jest amper [A]
Bardzo często określenie prąd elektryczny uŜywa się zamiennie z natęŜeniem prądu
elektrycznego.
Uporządkowany ruch ładunków elektrycznych moŜe wystąpić w niektórych ciałach
stałych, gazach i cieczach. Powstaje pod wpływem pojawiającej się róŜnicy potencjałów.
Napięcie elektryczne jest to róŜnica potencjałów elektrycznych między dwoma punktami
obwodu elektrycznego lub pola elektrycznego. Napięcie elektryczne to stosunek pracy
wykonanej podczas przenoszenia ładunku między punktami, dla których określa się napięcie
do wartości tego ładunku. Jednostką napięcia jest wolt [V], a symbolem napięcia we wzorach
fizycznych jest U. KaŜdy element przewodzący charakteryzuje się rezystancją (oporem
elektrycznym). Rezystancja R zaleŜy od stałej ρ określonej doświadczalnie, zwanej
rezystywnością. Rezystywność określa, jaki opór napotykają przemieszczające się ładunki
elektryczne we wzorcowej próbce materiału o długości l = 1 m i przekroju s = 1 mm2
.
Rezystywność ρ odczytuje się z tablic matematyczno – fizycznych. Rezystancję przewodnika
wyznacza się korzystając ze wzoru:
.
s
l
R ρ=
Georg Ohm zdefiniował, Ŝe prąd płynący w obwodzie jest wprost proporcjonalny do
przyłoŜonego napięcia, a odwrotnie proporcjonalny do rezystancji danego obwodu.
Gustav Kirchhoff zdefiniował dwa prawa. Pierwsze prawo stanowi, Ŝe: suma prądów
wpływających i wypływających z węzła jest równa zero.
Rys. 1. Wycięty fragment obwodu elektrycznego – węzeł.
Dla węzła przedstawionego na rys. 1 zgodnie z I prawem Kirchhoffa moŜemy zapisać:
Drugie prawo Kirchhoffa dotyczy bilansu napięć w oczku obwodu elektrycznego
i sformułowane jest następująco: w dowolnym oczku obwodu elektrycznego suma napięć
I2
I3
I4
I5
I1
54321 IIIII +=++
R
U
I =

8
źródłowych oraz suma spadków napięć na odbiornikach rozpatrywanego oczka jest równa
zero. Podobnie jak dla pierwszego prawa Kirchhoffa naleŜy dodać, Ŝe dla prądu stałego
wyznacza się sumę algebraiczną napięć i spadków napięć, natomiast dla prądu zmiennego
sumę geometryczną.
Dla oczka z rys. 2 moŜemy zapisać:
E1 – E2 – E3 – ∆U1 – ∆U2 – ∆U3 – ∆U4 = 0
czyli: E1 – E2 – E3 – (∆U1 + ∆U2 + ∆U3 + ∆U4) = 0
Korzystając z prawa Ohma uzaleŜniamy spadki napięcia od wielkości przepływających
prądów:
U1 = I1 × R1
i dalej: U2 = I2 × R2 U3=I3 × R3 U4 = I4 × R4
po podstawieniu otrzymujemy:
E1 – E2 – E3 – ( I1 × R1 + I2 × R2 + I3 × R3 + I4 × R4) = 0
Rys. 2. Wycięte oczko obwodu elektrycznego
Na rys. 2 przedstawiono oczko pewnego obwodu elektrycznego mające cztery gałęzie.
Przyjmujemy pewien zwrot obiegowy oczka, oznaczony strzałką umieszczoną wewnątrz
oczka. Idąc kolejno od węzła zgodnie z przyjętym zwrotem obiegowym oczka, podstawiamy
pod znak sumy w równaniu napięcia źródłowe z odpowiednim znakiem, jeŜeli strzałka zwrotu
napięcia źródłowego jest zgodna ze zwrotem obiegowym oczka, to napięcie źródłowe
bierzemy ze znakiem plus (+), jeŜeli zaś przeciwna to ze znakiem minus (–). JeŜeli załoŜony
kierunek spadku napięcia jest zgodny ze zwrotem obiegowym oczka to spadek ten we wzorze
uwzględniamy ze znakiem plus (+), natomiast jeŜeli kierunek spadku napięcia jest przeciwny
wówczas przed tym spadkiem napięcia wstawiamy znak minus (–).
JeŜeli prąd elektryczny w czasie nie ulega zmianie, to prąd taki nazywamy prądem stałym.
Do oznaczenia prądu stałego stosujemy wielką literę alfabetu I. Przebieg prądu stałego
przedstawiono na rys. 3b.
E2
E1
R3
R1
R4
∆U2
E3
R2
∆U1
∆U3∆U4
I1
I2
I3I4

9
a.
t [s]
i [A]
b.
t [s]
I [A]
Rys. 3. Przebiegi prądów w czasie: a) zmiennego, b) stałego
JeŜeli prąd elektryczny w czasie, zmienia swoją wartość w sposób periodyczny –
okresowy, to prąd taki nazywamy prądem zmiennym. Wartości prądu w określonej chwili
nazywamy wartością chwilową prądu. Do oznaczania wartości chwilowej prądu zmiennego
stosujemy małą literę alfabetu i. Przykładowy przebieg prądu zmiennego przedstawiono na
rys. 3a.
Rys. 4. Przebiegi czasowe podstawowych rodzajów prądów elektrycznych
Wśród prądów zmiennych (rys. 4) moŜemy rozróŜnić prądy przemienne, w których
nośniki poruszają się raz w jedną stronę raz w drugą. Zmianę kierunku ruchu ładunków na
przebiegach czasowych zaznacza się jako przejście wykresu przez oś czasu.
To znaczy dla prądów przemiennych część przebiegu znajdować się będzie nad osią
czasu, część zaś pod nią. Prądy tętniące są to prądy, w których kierunek ruchu ładunków jest
stały, lecz zmienia się ich prędkość. Im dalej od osi czasu znajduje się punkt tym większy
płynie prąd. W prądach tętniących charakterystyczne jest to, Ŝe sekwencje zwiększania,
a potem zmniejszania się natęŜenia prądu następują cyklicznie i są w pełni przewidywalne.
Ze względu na zmieniającą się ilość odbiorników w sieciach elektroenergetycznych prądy
w tych sieciach określa się mianem prądów zmiennych.
Siła elektrodynamiczna
JeŜeli przewód, w którym płynie prąd umieścimy w polu magnetycznym, to na przewód
ten działa siła, która wypycha lub wciąga go do wnętrza pola. Siłą odpowiedzialną za ruch
tego przewodnika jest siła elektrodynamiczna.
u, i
t

10
Zwrot siły elektrodynamicznej wyznaczamy stosując zasadę lewej ręki (lub śruby
prawoskrętnej). JeŜeli lewą rękę ustawimy w polu magnetycznym w taki sposób, Ŝe linie pola
magnetycznego (od N do S) są skierowane do jej wewnętrznej strony, a wyprostowane palce
wskazują kierunek przepływu prądu (od + do –), to odchylony kciuk wskaŜe kierunek
działania siły elektrodynamicznej. Wartość siły elektrodynamicznej jest wprost
proporcjonalna do natęŜenia prądu płynącego w przewodniku i do długości odcinka
przewodnika znajdującego się w polu magnetycznym.
F = B × I × l × sinα
gdzie:
F – siła elektrodynamiczna,
B – indukcja magnetyczna,
I – natęŜenie prądu w przewodniku,
l – długość przewodnika, która znajduje się w polu magnetycznym, α – kąt
pomiędzy kierunkiem prądu w przewodniku a kierunkiem linii pola
magnetycznego.
Indukcja elektromagnetyczna
Przesuwając magnes wewnątrz cewki moŜesz obserwować wychylenie wskazówki
amperomierza podłączonego do uzwojeń cewki. Wskazówka wychyla się tym bardziej im
szybciej porusza się magnes. Pole magnetyczne cewki kaŜdorazowo próbuje przeciwstawić
się ruchowi magnesu. Do określania kierunku prądu indukcyjnego stosuje się regułę Lentza,
która mówi, Ŝe prąd zaindukowany ma zawsze taki kierunek, Ŝe wytworzone przez niego pole
magnetyczne przeciwdziała przyczynie, która go wytworzyła. Prąd indukcyjny płynie pod
wpływem napięcia, które indukuje się w cewce (zwanego siłą elektromotoryczną – SEM).
Reasumując: zmiana oddziaływującego na cewkę pola magnetycznego w czasie spowodowała
zaindukowanie się w cewce napięcia. Napięcie w cewce powstaje przy kaŜdej zmianie pola
magnetycznego, które na nią oddziałuje, równieŜ wtedy, gdy uzwojenia cewki będą się
przesuwały względem nieruchomego pola magnetycznego.
MoŜna załoŜyć, Ŝe uzwojenie cewki składa się z jednego zwoju (w postaci odcinka
przewodu). JeŜeli przewód ten porusza się w polu magnetycznym (np. w polu magnesu
stałego), to działa na niego siła, która powoduje, Ŝe elektrony poruszają się w kierunku
jednego z końców tego przewodu. W wyniku przemieszczenia się elektronów, na jednym
z końców powstaje ich nadmiar, zaś na przeciwległym końcu niedobór. Więc między końcami
przewodu powstanie róŜnica potencjałów, czyli zaindukuje się napięcie (SEM).
Poruszający się przewodnik przecina linie pola magnetycznego, co powoduje pojawienie
się na jego końcach róŜnicy potencjałów czyli napięcia. Napięcie to jest wynikiem
działających na elektrony w przewodniku sił elektrodynamicznych.
Wartość tego napięcia zaleŜy od prędkości, z jaką przesuwa się przewodnik, jego
długości, która znajduje się w polu magnetycznym i wartości indukcji magnetycznej tego
pola. Prąd w przewodzie popłynie tylko wtedy gdy obwód jest zamknięty.
Przy określaniu zwrotu indukującego się napięcia moŜna posłuŜyć się regułą prawej ręki,
która mówi, Ŝe jeŜeli prawą rękę ustawimy w polu magnetycznym w taki sposób, Ŝe linie pola
magnetycznego (od N do S) są skierowane do jej wewnętrznej strony, a przewód porusza się
zgodnie ze zwrotem wyciągniętego kciuka, to zwrot indukującej się siły elektromotorycznej
jest zgodny ze zwrotem pozostałych palców.

11
e = B × l × v
gdzie:
e – siła elektromotoryczna,
B – indukcja magnetyczna,
l – długość przewodnika, która znajduje się w polu magnetycznym,
v – prędkość, z jaką porusza się przewodnik.
Zmienne pole magnetyczne moŜna uzyskać w dwojaki sposób, poprzez zasilanie cewki
prądem zmiennym lub przez zmianę połoŜenia uzwojenia względem stałego pola
magnetycznego (względem magnesu stałego). JeŜeli skojarzony z cewką strumień
magnetyczny zmienia się w czasie, to w cewce tej indukuje się napięcie (SEM), którego
wartość będzie zaleŜała od szybkości zmian tego strumienia w czasie.
Zgodnie z regułą Lentza, znak tego napięcia będzie zawsze taki, aby prąd indukcyjny,
który popłynie pod jego wpływem tworzył strumień magnetyczny, który będzie się
przeciwstawiał strumieniowi pierwotnemu. Ze względu na sposób powstawania siły
elektromotorycznej moŜemy podzielić ją na dwa rodzaje. JeŜeli powstaje ona w wyniku
umieszczenia zwojów w zmiennym polu magnetycznym, a uzwojenie nie wykonuje Ŝadnego
ruchu względem tego pola, zaindukowane w ten sposób napięcie nazywane jest napięciem
transformacji. Natomiast, jeŜeli napięcie indukuje się w wyniku ruchu uzwojeń w polu
magnetycznym, nazywane jest napięciem rotacji. Nazwy te wzięły się od sposobu działania
maszyn, w których wykorzystuje się zjawisko indukcji elektromagnetycznej: transformatorów
(napięcie transformacji) i silników elektrycznych (napięcie rotacji).
Oznaczenia elementów elektrycznych i elektronicznych.
Obwód elektryczny tworzy się poprzez takie połączenie elementów elektrycznych, by
istniała co najmniej jedna zamknięta droga, którą płynąć będzie prąd. Odwzorowaniem
graficznym obwodu jest schemat, na którym podany jest sposób połączenia elementów,
a same elementy są przedstawione za pomocą znormalizowanych symboli graficznych.
W skład obwodu elektrycznego wchodzą:
− elementy źródłowe zwane elementami aktywnymi,
− elementy odbiorcze zwane elementami pasywnymi.
+
–
Rys. 5. Symbole graficzne źródeł: a) symbol ogólny źródła napięcia, b) symbol ogniwa i akumulatora
Symbole źródeł napięcia zaprezentowano na rys. 5. Jeden z zacisków źródła napięcia
stałego ma potencjał wyŜszy i jest to tzw. biegun dodatni, oznaczony (+), a drugi ma potencjał
niŜszy i jest to tzw. biegun ujemny, oznaczony (–). RóŜnicę potencjałów pomiędzy zaciskami
źródła napięcia w warunkach, gdy źródło to nie dostarcza energii elektrycznej, nazywamy siłą
elektromotoryczną lub napięciem źródłowym i oznaczamy przez E. Biegunowość źródła
oznaczamy za pomocą strzałki, której grot wskazuje biegun (+).
Elementami odbiorczymi, czyli pasywnymi są:
− rezystory (oporniki), w których przy przepływie prądu zachodzi nieodwracalny proces
przekształcenia energii elektrycznej w energię cieplną,
− cewki i kondensatory, w których energia jest gromadzona odpowiednio w postaci energii
pola magnetycznego cewki i energii pola elektrycznego kondensatora,

12
− róŜnego rodzaju przetworniki energii elektrycznej w energię mechaniczną (silniki
elektryczne, elektromagnesy, itp.).
Jednym z głównych zadań obwodu elektrycznego jest przekazywanie energii elektrycznej
ze źródeł energii do odbiorników takich jak grzejniki, Ŝarówki, lampy wyładowcze, w których
energia elektryczna przemienia się w ciepło, a część zostaje wypromieniowana w postaci
światła. RównieŜ często w układach elektrycznych i elektronicznych stosuje się róŜnego
rodzaju łączniki, styczniki oraz przekaźniki. Symbole tych elementów przedstawiono
w tabeli 1.
Tabela 1. Symbole graficzne elementów elektrycznych i elektronicznych
Opis symbolu Symbol graficzny Opis symbolu Symbol graficzny
Rezystor (symbol ogólny) Bocznik
Kondensator o zmiennej
pojemności
Uzwojenia, cewki
indukcyjne
Rezystor nastawny Potencjometr
Zestyk zwierny Zestyk rozwierny
Zestyk zwierny ze zwłoką
przy zamykaniu
Bateria
Stycznik 3 – biegunowy Bezpiecznik
Bezpieczniki w 3 fazach
układu 3 – fazowego
śarówka
Bezpiecznik
szybkodziałający
Zespół bezpieczników oraz
wyłącznika trój–fazowego
o wyłączaniu
automatycznym, gdy
zadziała choć jeden
bezpiecznik
Dzwonek Syrena
Buczek Głośnik
Mikrofon Antena

13
Łączenie źródeł napięcia i rezystorów
Elementy obwodu elektrycznego są zaopatrzone w końcówki lub zaciski, za pomocą
których, mogą być dowolnie łączone w obwodzie elektrycznym. Połączenie szeregowe
elementów obwodu jest to takie ich połączenie, przy którym przez kaŜdy z nich płynie ten
sam prąd. W szereg moŜna łączyć zarówno źródła jak i odbiorniki.
Rys. 6. Połączenie szeregowe trzech rezystorów
Polega ono na połączeniu jednej końcówki pierwszego opornika z jedną końcówką
drugiego, drugiej końcówki drugiego z jedną końcówką trzeciego itd., jak pokazano na rys. 6.
JeŜeli wolne końcówki pierwszego i ostatniego opornika połączymy ze źródłem napięcia, to
przez cały układ szeregowy będzie płynął ten sam prąd I. Rezystancja zastępcza Rzas
przedstawionego układu wynosi Rzas = R1 + R2 + R3. Spadki napięcia na poszczególnych
rezystorach są proporcjonalne do wielkości poszczególnych rezystancji.
Połączeniem równoległym kilku elementów w obwodzie elektrycznym nazywamy takie
połączenie, przy którym na końcach tych elementów istnieje wspólne napięcie, tzn. Ŝe
wszystkie pierwsze końcówki elementów zwarte są ze sobą, podobnie jak drugie. Rezystancja
zastępcza dwóch rezystorów połączonych równolegle wynosi:
przekształcając powyŜszy wzór moŜemy otrzymać wzór równowaŜny:
Natomiast rezystancja zastępcza trzech rezystorów połączonych równolegle (rys. 7) jest
równa:
Rys. 7. Układ trzech rezystorów połączonych równolegle
I1 I2 I3
R1 R2 R3
A B C D
R1 R2 R3
∆U1 ∆ U2 ∆ U3
321
1111
RRRRzas
++=
21
111
RRRzas
+=
21
21
RR
RR
Rzas
+
⋅
=

14
Do podstawowych i najczęściej spotykanych odbiorników energii elektrycznej zaliczyć
moŜna źródła światła. ZaleŜnie od sposobu przemiany energii elektrycznej w energię świetlną
dzielimy źródła światła na:
− temperaturowe, w których promieniowanie świetlne jest wywołane nagrzaniem ciała
promieniującego do temperatury 2400÷2900 K (Ŝarówki),
− wyładowcze, np. rtęciowe, w których przepływowi prądu w parach rtęci o średnim lub
wysokim ciśnieniu towarzyszy emisja promieniowania świetlnego, do lamp
wyładowczych naleŜą teŜ lampy sodowe, w których prąd przepływa w atmosferze par
sodu,
− wyładowcze fluorescencyjne, zwane świetlówkami, w których przy przepływie prądu
przez rurę szklaną wypełnioną argonem i parami rtęci o ciśnieniu kilkuset paskalów (Pa)
(kilku milimetrów słupa rtęci) powstaje promieniowanie ultrafioletowe. Pobudza ono do
promieniowania widzialnego substancje fluoryzujące, którymi jest powleczone wnętrze
rury. Barwa światła zaleŜy od składu substancji fluoryzującej. W handlu są świetlówki
o świetle dziennym, białym i ciepłobiałym.
Budowę Ŝarówki pokazano na rys. 8. Elementem wysyłającym promieniowanie świetlne
jest Ŝarnik wolframowy umieszczony wewnątrz bańki szklanej. Obecnie wytwarza się Ŝarówki
o poborze mocy do 5 W jako próŜniowe, a od 40 W w górę jako gazowane, tj. napełnione
gazem obojętnym (mieszaniną argonu i azotu lub czystym azotem). Trzonek standardowej,
najczęściej spotykanych Ŝarówek wykonany jest z metalowej gwintowanej łuski o średnicy
27 mm. Inne spotykane średnicy to 10 mm, 14 mm, 40 mm.
Rys. 8. Budowa Ŝarówki 1 – bańka szklana, 2 – słupek szklany, 3 – Ŝarnik, 4 – trzonek gwintowany1
Na rys. 9 przedstawiono układ połączeń świetlówki. Lampę 1 w kształcie rury
z wmontowanymi na końcach katodami łączy się w szereg z dławikiem 4 lub dławikiem
i kondensatorem 5 na napięcie sieci 230 V.
Do zapłonu lampy, po włączeniu napięcia, słuŜy zapłonnik 3. Gdy jego styki są
zamknięte, prąd płynie przez dławik i elektrody. Elektrody nagrzewają się, po kilku
sekundach następuje nagłe otwarcie styku zapłonnika i przerwanie obwodu. To wywołuje
skok napięcia na indukcyjności dławika i zapłon lampy.
1 Kotlarski W.: Urządzenia elektryczne. Warszawa, 1984

15
Rys. 9. Układ połączeń świetlówki: ze statecznikiem indukcyjnym, 1 – rura świetlówki, 2 – elektrody,
3 – zapłonnik, 4 – dławik, 5 – kondensator statecznika, 6 – kondensator do poprawy współczynnika
mocy
Trwałość znamionowa Ŝarówek wynosi 1000 h, a lamp wyładowczych od 4000÷6000 h,
zaleŜnie od typu lampy.
Oprawy oświetleniowe
Źródła światła umieszcza się w oprawach oświetleniowych, które słuŜą do:
− umocowania źródła światła i połączenia go z siecią zasilającą,
− skierowania strumienia świetlnego w Ŝądanym kierunku,
− ochrony oczu przed olśnieniem,
− ochrony źródła światła przed uszkodzeniem mechanicznym,
− ochrony przed pyłem, wilgocią, przedostaniem się gazów wybuchowych itp.,
− podniesienia estetyki oświetlenia.
Od sposobu wykorzystania strumienia świetlnego wychodzącego z oprawy zaleŜy rodzaj
oświetlenia. Najbardziej rozpowszechnione są dwa rodzaje oświetlenia. Oświetlenie
bezpośrednie i przewaŜnie bezpośrednie. O oświetleniu bezpośrednim mówimy wtedy, gdy
cały strumień świetlny wychodzący z oprawy lub przewaŜająca jego część pada bezpośrednio
na oświetlaną powierzchnię.
Grzejnictwo
Przemiana energii elektrycznej w ciepło wykazuje wiele zalet, które zadecydowały
o rozwoju gałęzi elektryki zwanej elektrotermią albo grzejnictwem elektrycznym.
Przemiana ta odznacza się wyjątkową czystością, jest bowiem wolna od produktów
spalania, które zanieczyszczają ogrzewany przedmiot, wchodząc z nim w reakcje chemiczne,
oraz skaŜają naturalne środowisko człowieka. Z innych zalet moŜna wymienić łatwość
regulacji mocy, samoczynnej regulacji temperatury i moŜność osiągania bardzo wysokich
temperatur.
Przedmiot podlegający nagrzewaniu nazywamy wsadem i w zaleŜności od sposobu
nagrzewania wsadu rozróŜniamy:
− nagrzewanie oporowe (rezystancyjne), polegające na wydzielaniu się ciepła podczas
przepływu prądu przez przewodzące ciało stałe. Nagrzewanie oporowe moŜe być
bezpośrednie, gdy prąd płynie przez wsad, albo pośrednie, gdy prąd płynie przez
przeznaczone do tego celu elementy grzejne, od których ciepło przenosi się na wsad przez
konwekcję i promieniowanie,
− nagrzewanie elektrodowe, polegające na wydzielaniu się ciepła podczas przepływu prądu
przez znajdujące się między elektrodami ciecze przewodzące (roztopione sole w tzw.
piecach solnych). Celem moŜe być albo nagrzewanie samej cieczy, albo pośrednie
4
1
2
6
35
Uzas

16
nagrzewanie wsadu zanurzonego w cieczy, np. przedmiotów stalowych przeznaczonych
do obróbki cieplnej,
− nagrzewanie indukcyjne, polegające na wykorzystaniu prądów wirowych indukowanych
w przedmiotach metalowych,
− nagrzewanie łukowe, polegające na wykorzystaniu łuku elektrycznego jako źródła ciepła.
Łuk moŜe się utrzymywać między elektrodami a wsadem (nagrzewanie bezpośrednie) lub
między samymi elektrodami, a wtedy wsad nagrzewa się pośrednio przez promieniowanie
i konwekcję.
Moc odbiorników prądu stałego
Podstawowymi parametrami na podstawie których dobiera się odbiorniki energii
elektrycznej są: napięcie zasilania oraz moc odbiornika.
Prąd płynący przez odbiornik powoduje wydzielanie się określonej mocy. Jej wielkość
jest proporcjonalna do wielkości przyłoŜonego napięcia i wielkości przepływającego prądu.
Tak więc moc P wydzielana w odbiorniku np. w Ŝarówce jest równa:
P = U × I
Korzystając z prawa Ohma: U = I × R
Otrzymujemy: lub
Jednostką mocy jest wat [W]
KaŜdy odbiornik powinien być uŜytkowany przy jego napięciu znamionowym, które
oznaczamy przez Un. W przypadku gdy do odbiornika podłączone jest napięcie inne niŜ
nominalne, istnieje bardzo wysokie prawdopodobieństwo uszkodzenia odbiornika, lub moŜe
to doprowadzić do powstania zagroŜenia dla zdrowia i Ŝycia osób obsługujących dany
odbiornik.
Wpływ napięcia na pracę odbiornika moŜna objaśnić na przykładzie Ŝarówki. Trwałość
Ŝarówki przy napięciu znamionowym wynosi około 1000 godzin pracy. PodwyŜszenie
napięcia o 5% skraca czas jej uŜytkowania prawie o 45%, natomiast podanie napięcia
dwukrotnie większego od Un spowoduje przepalenie jej włókna w ciągu niespełna 10 minut.
Napięcie pracy poniŜej wartości znamionowej teŜ nie jest korzystne, bo zwiększa się
wprawdzie trwałość, ale za to maleje skuteczność świetlna Ŝarówki. Przed włączeniem
odbiornika do sieci energetycznej, albo przy kupnie odbiornika, naleŜy sprawdzić czy jego
napięcie znamionowe zgadza się z napięciem sieci. Napięcie znamionowe i moc znamionowa
są podawane na tabliczkach znamionowych przytwierdzonych trwale do odbiornika. Niekiedy
podaje się jeszcze prąd znamionowy. Dane znamionowe Ŝarówek umieszcza się na ich
bańkach szklanych.
Przykład:
Oblicz jaką moc powinien mieć rezystor o rezystancji R = 20 , by mógł długotrwale
przez niego płynąc prąd I = 0,5 A.
Obliczamy: P = I2
× R = (0,5 A)2
× 20 = 0,25A2
× 20 = 5 W
Moc czynna, bierna i pozorna prądu zmiennego
Przy przebiegach sinusoidalnych interesuje nas zazwyczaj energia pobrana przez
odbiornik w czasie jednego okresu lub wielokrotności okresu. Ze względu na przesunięcia
prądu względem napięcia w układach prądu zmiennego moŜemy rozróŜniać trzy rodzaje
mocy. Mocą czynną nazywamy wartość średnią mocy chwilowej i określamy ją wzorem
P = U × I × cosφ
R
U
P
2
=RIP ⋅= 2

17
Jednostką mocy czynnej jest wat [W] Moc czynna jest zatem równa iloczynowi wartości
skutecznej napięcia i prądu oraz kosinusa kąta przesunięcia fazowego między napięciem
i prądem, zwanego współczynnikiem mocy (cosφ). Współczynnik mocy jest to parametr,
który odczytujemy bądź z tabliczki znamionowej bądź z katalogu. JeŜeli moc czynną
pomnoŜymy przez czas t (czas przez jaki pracuje dany odbiornik), to otrzymamy energię
pobraną przez odbiornik w tym czasie.
Drugim rodzajem mocy jest moc bierna, która wyraŜa się wzorem:
Q = U × I × sinφ.
Jednostką mocy biernej jest war [War] WyraŜa ona straty na elementach indukcyjnych
i pojemnościowych.
Urządzenia elektryczne, np. maszyny elektryczne, transformatory, aparaty elektryczne
mają określone wartości znamionowe: napięcia i prąd które, wynikają z wytrzymałości
izolacji i dopuszczalnych wartości prądu ze względu na nagrzewanie lub działanie
dynamiczne. Dlatego teŜ dla urządzeń tych, istotne znaczenie ma moc pozorna oznaczana
przez S i definiowana jako iloczyn wartości skutecznych napięcia i prądu, czyli
S=U × I
Jednostką mocy pozornej jest woltoamper [V—A] PoniewaŜ jest to jednostka powstała,
jako iloczyn dwóch jednostek: wolta i ampera, wobec tego przy jej zapisie stawiamy kropkę
między oznaczeniami jednostek napięcia i prądu.
Na uwagę zasługuje fakt, Ŝe podstawiając do wzoru:
Q2
+P2
= (U—I—cosφ)2
+ (U—I—sinφ)2
=(U—I)2
—( cosφ2
+ sinφ2
)=(U—I)2
=S2
Energia zuŜywana przez odbiorniki elektryczne
Energia elektryczna prądu elektrycznego to energia, jaką prąd elektryczny przekazuje
odbiornikowi wykonującemu pracę lub zmieniającemu ją na inną formę energii. Energia
zuŜywana przez odbiornik zaleŜy od jego mocy i od czasu uŜytkowania
W = P × t
Korzystając z definicji mocy: P = U × I
Otrzymujemy: W = U × I × t
Zatem energia zuŜywana przez odbiornik jest równa iloczynowi mocy odbiornika i czasu
pracy.
Energia zuŜywana przez dowolną liczbę odbiorników jest równa sumie energii zuŜywanej
przez poszczególne odbiorniki, bez względu na to, czy wszystkie są w danym przedziale
czasu uŜytkowane jednocześnie, czy z przerwami niejednoczesnymi. Energię pobieraną przez
odbiorniki w celach rozliczeniowych mierzymy na ogół w kilowatogodzinach [kWh] lub
megawatogodzinach [MWh]
W elektryce stosuje się inne niŜ dŜul jednostki pracy: Watosekuda jest to praca wykonana
przez urządzenie pracujące z mocą 1W przez 1s czyli 1 watosekunda równa się 1 dŜulowi:
1 Ws = 1 W × 1 s = 1 J.
Watogodzina jest to praca wykonana przez urządzenie pracujące z mocą 1W przez
1godz., czyli 3600s: 1 Wh = 1W × 1h = 1 W × 3600 s = 3600 J
tzn. Ŝe 1 watogodzina równa się 3600 dŜulom. Kilowatogodzina jest to praca wykonana
przez urządzenie pracujące z mocą 1kW przez 1 godz., czyli 3600s.
1 kWh = 1 kW — 1 h = 1000 W—3600 s = 3600000 J = 3600 kJ
1 kilowatogodzina równa się 3600 kilodŜulom.

18
Podstawy miernictwa
Bardzo specyficzną rodziną maszyn elektrycznych są mierniki prądu. W miernikach
analogowych spotykane są ustroje pomiarowe, które pod wpływem badanych wielkości
przesuwają wskazówkę.
Do pomiaru wielkości elektrycznych najczęściej stosowne są mierniki
magnetoelektryczne, elektromagnetyczne, elektrostatyczne i ferrodynamiczne. Stosowane
oznaczenia typów mierników przedstawiono w tabeli 2.
W mierniku magnetoelektrycznym (rys. 10) elementem ruchomym ustroju jest cewka.
Częścią nieruchomą ustroju jest magnes trwały. Magnes wytwarza pole magnetyczne
w szczelinach powietrznych między zakończonymi walcowo nabiegunnikami i umieszczonym
współosiowo stalowym rdzeniem o kształcie walca.
Moment napędowy powstaje dzięki oddziaływaniu pola magnesu na uzwojenie cewki,
przez które płynie prąd.
Rys. 10. Ustrój magnetoelektryczny: 1 – magnes trwały, 2 – cewka ruchoma, 3 – rdzeń, 4 – czop, 5 – łoŜysko,
6 – wskazówka, 7 – spręŜyna, 8 – bocznik magnetyczny [11]
Pomiary prądu i napięcia
Na bazie przetworników buduje się przyrządy pomiarowe. Do pomiaru prądu –
amperomierze, oraz woltomierze do pomiaru napięć. Istotnym w uŜytkowaniu mierników jest
ich właściwe włączenie w badany obwód. By zmierzyć wielkość spadku napięcia na
odbiorniku woltomierz włączamy równolegle. Amperomierz powinien być szeregowo
włączony w gałąź w której mierzy prąd (rys. 11).
Rys. 11. Pomiar napięcia i prądu Rys. 12. Pomiar rezystancji omomierzem
Pomiary rezystancji
Metoda odchyłowa bezpośrednia polega na zastosowaniu omomierza o odpowiednim
zakresie pomiarowym (rys. 12). Najdokładniejszy pomiar omomierzem występuje wówczas,
gdy wskazówka znajduje się pośrodku podziałki omomierza.
Metoda techniczna polega na pomiarze napięcia i prądu za pomocą amperomierza
i woltomierza. Ostateczną wartość rezystancji wyznacza się z prawa Ohma (rys. 13).
A
V

19
Rys. 13. Sposoby przyłączania mierników przy pomiarach rezystancji: a) układ do pomiaru małych
rezystancji, b) układ do pomiaru duŜych rezystancji
Wykonywanie pomiarów naleŜy prowadzić w warunkach określonych przez producenta miernika. W tabeli 3
przedstawiono symbole, za pomocą których definiuje się optymalne warunki pracy mierników.
Tabela 2. Oznaczenia typów mierników
Oznaczenie Opis Oznaczenie Opis
Ustrój magnetoelektryczny z magnesem
stałym
Ustrój
termodylatacyjny
Ustrój magnetoelektryczny ilorazowy Ustrój bimetaliczny
Ustrój elektromagnetyczny Ustrój elektrostatyczny
Ustrój elektromagnetyczny ilorazowy Ustrój wibracyjny
Tabela 3. Oznaczenia wskazujące warunki pracy ustrojów pomiarowych
Oznaczenie Opis Oznaczenie Opis
Miernik posiadający ekran
elektrostatyczny
Miernik posiadający ekran
magnetyczny
Miernik przeznaczony do
wykonywania pomiarów dla
prądu stałego
wykonywania pomiarów dla prądu
zmiennego
wykonywania pomiarów dla
prądów stałych i zmiennych
PołoŜenie poziome
PołoŜenie pionowe
PołoŜenie nominalne skośne, np.
z kątem nachylenia 60
Próba napięciowa 500 V
Próba napięciowa powyŜej 500 V
(np. 2 kV)

20
4.1.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Co to jest prąd elektryczny?
2. Co to jest napięcie elektryczne?
3. Czym róŜni się prąd stały od prądu przemiennego?
4. Czym róŜni się połączenie szeregowe dwóch elementów obwodu elektrycznego od
równoległego?
5. Jak brzmią prawo Ohma i prawa Kirchoffa?
6. Jaka jest rezystancja zastępcza dwóch rezystorów połączonych równolegle?
7. Jakie elementy pasywne najczęściej występują w układach elektrycznych i jakie mają
symbole?
8. Jakie źródła światła najczęściej stosuje się na jednostkach pływających?
9. W jaki sposób podłącza się amperomierze i woltomierze podczas pomiarów?
10. W jakich jednostkach mierzona jest moc czynna prądu zmiennego?
4.1.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Do zacisków zasilacza, o napięciu 24 V podłączono dwa rezystory połączone szeregowo
(pierwszy o rezystancji 150 , drugi o rezystancji 30 ). Wyznacz prąd jaki będzie płynął
przez te rezystory. Połącz układ, sprawdź czy wyliczone wartości są zgodne z wynikami
odczytanymi na miernikach.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) narysować schemat układu,
2) obliczyć rezystancję zastępczą dwóch rezystorów połączonych szeregowo,
3) obliczyć prąd jaki popłynie przez rezystory,
4) połączyć układ,
5) uruchomić układ,
6) ustawić napięcie na zasilaczu,
7) odczytać wynik z amperomierza,
8) porównać otrzymane wyniki z wynikami odczytanymi z amperomierza.
WyposaŜenie stanowiska pracy:
− przybory do pisania,
− zasilacz 30 V DC,
− woltomierz 30 V DC,
− rezystory R=150 , R = 30 ,
− amperomierz 0,5 A DC,
− przewody łączeniowe,
− kalkulator.

21
Ćwiczenie 2
Zbuduj układ zasilania świetlówki i uruchom go.
1) odnaleźć w niniejszym poradniku odpowiedni schemat,
2) zidentyfikować i odnaleźć w pracowni elementy na nim występujące,
4) poprosić nauczyciela sprawdzenie poprawności wykonanych połączeń,
− oprawa świetlówki, ze zdemontowanym, statecznikiem, dławikiem oraz kondensatorem
do poprawy współczynnika mocy,
− komplet narzędzi elektrotechnicznych (komplet wkrętaków, komplet szczypiec, nóŜ
monterski, multimetr, szczypce do zdejmowania izolacji, itp.) .
Ćwiczenie 3
W trakcje wykonywania pomiarów zmierzono w układzie następujące prądy: I1=33 mA,
I2=0,03 A, I3=3350 pA, I4=3,3 kA, I5=33 mA, I6=332 µA, I7=3300 pA, I8=34700 nA,
I9=0,33 dA, I10=33 MA. Posortuj otrzymane wyniki, zapisz je w kolejności od najmniejszej
wartości do największej.
1) zapoznać się przedrostkami stosowanymi do prezentowania wyników pomiarów,
2) przeliczyć wszystkie pomiary na jednostki podstawowe i zapisać wszystkie pomiary,
3) posortować dane i zapisać je w określonej kolejności.
− tablica z przedrostkami,
− papier, przyrządy do pisania.
4.1.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak Nie
1) zastosować prawo Ohma i prawa Kirchhoffa do wyznaczania
wielkości prądów i spadków napięć w obwodach prądu stałego?
2) dobrać mierniki do pomiaru podstawowych parametrów obwodów
elektrycznych?
3) połączyć mierniki oraz odczytać z nich mierzone wartości?
4) rozróŜnić rodzaje prądów?
5) zdefiniować wielkości siły elektromotorycznej indukowanej
w przewodniku?
6) zidentyfikować na podstawie symboli podstawowe elementy obwodu
elektrycznego?
7) połączyć i uruchomić proste układy elektryczne?

22
4.2. Maszyny elektryczne
Transformatory
Maszyny elektryczne moŜemy podzielić na dwie podstawowe grupy: maszyny wirujące
i maszyny bezwirowe. Transformator przetwarza energię elektryczną jednego rodzaju
(o danych parametrach) na energię elektryczną drugiego rodzaju (o innych parametrach)
za pomocą pola elektromagnetycznego, bez udziału ruchu. Transformator przewaŜnie ma
rdzeń z blach stalowych, tworzący obwód zamknięty dla strumienia magnetycznego.
Transformator jest zbudowany z dwóch lub większej liczby uzwojeń sprzęŜonych
magnetycznie. Uzwojenia transformatora nie są zwykle połączone galwanicznie.
Transformatory mają róŜne przeznaczenie. Transformator energetyczny słuŜy do
przetwarzania energii elektrycznej o jednym napięciu na energię elektryczną o innym
napięciu. Oprócz zastosowań energetycznych buduje się róŜne transformatory specjalne, jak
np. transformatory pomiarowe zwane przekładnikami, transformatory spawalnicze
i prostownikowe, a takŜe transformatory miniaturowe stosowane w układach elektroniki,
automatyki i teletransmisji.
W transformatorze dwuuzwojeniowym uzwojenia transformatora nawinięte są na rdzeniu
wykonanym z materiału ferromagnetycznego. Wobec tego przewaŜająca część strumienia
magnetycznego tworzy strumień magnetyczny główny sprzęŜony z obydwoma uzwojeniami,
natomiast strumień rozproszenia jest stosunkowo niewielki. Transformatory tego typu
znalazły szerokie zastosowanie w róŜnych dziedzinach, a zwłaszcza w elektroenergetyce.
Z punktu widzenia budowy rdzenia rozróŜnia się transformatory rdzeniowe oraz
transformatory płaszczowe.
c)
Rys. 14. Konstrukcja transformatora: a) rdzeniowego, b) płaszczowego, c) widok transformator toroidalnego
Na rys. 14a przedstawiona jest konstrukcja transformatora rdzeniowego. W takim
transformatorze istnieją dwie kolumny, na kaŜdej znajduje się część uzwojeń napięcia
pierwotnego i napięcia wtórnego. Obwód magnetyczny takiego rdzenia jest nierozgałęziony.
Na rys. 14b przedstawiono konstrukcję rdzenia płaszczowego. Całe uzwojenie pierwotne
i wtórne umieszczone jest na kolumnie środkowej. Obwód magnetyczny jest rozgałęziony.
W obu wariantach konstrukcyjnych rdzeń wykonany jest z blach jednostronnie izolowanych.
Na rys. 14c zaprezentowano wygląd transformatora toroidalnego, który powoli wypiera
w układach małej mocy transformatory rdzeniowe i płaszczowe.
Pod względem sposobu chłodzenia rozróŜnia się transformatory suche lub transformatory
olejowe. Transformatory olejowe stosowane są przy duŜych mocach, gdy naturalne
odprowadzenie ciepła jest niewystarczające. Rdzeń stalowy wraz z uzwojeniami umieszcza
się w kadzi z olejem.

23
RóŜnorodność typów transformatorów mocy oraz zakresu ich przeznaczenia pociąga za
sobą róŜnorodność konstrukcji. Zasada działania transformatora jest jednak zawsze taka sama.
Uzwojenie transformatora, do którego doprowadzone jest źródło energii elektrycznej
nazywamy uzwojeniem pierwotnym, natomiast uzwojenie, do którego dołączony jest
odbiornik nazywamy uzwojeniem wtórnym. Napięcia i prądy związane z uzwojeniem
pierwotnym nazywamy pierwotnymi, a wiązane z zwojeniem wtórnym nazywamy wtórnymi.
Wszystkie wielkości i parametry uzwojenia pierwotnego opatrujemy wskaźnikiem 1,
a uzwojenia wtórnego – wskaźnikiem 2. Przekładnią transformatora ν nazywamy stosunek
liczby zwojów uzwojenia pierwotnego z1, do liczby zwojów uzwojenia wtórnego z2 czyli
2
1
z
z
=ν
Wielkość przekładni ma istotny wpływ na napięcie i prąd uzwojenia wtórnego. Bez
uwzględniania strat jakie powstają w rdzeniu oraz w uzwojeniach transformatora moc strony
pierwotnej jest równa mocy elektrycznej strony wtórnej:
2211 iuiu ⋅=⋅
czyli:
1
2
2
1
i
i
u
u
=
Zasada działania transformatora wyjaśniona została na przykładzie transformatora
dwuuzwojeniowego przedstawionego na rys. 15a. Do uzwojenia pierwotnego o liczbie
zwojów z1 dołączone jest źródło napięcia u1. W uzwojeniu pierwotnym płynie prąd
sinusoidalny o wartości chwilowej i1. W wyniku przepływu tego prądu w przestrzeni
otaczającej uzwojenie pierwotne, a więc w rdzeniu powstaje zmienny strumień magnetyczny
Φg. Strumień magnetyczny przenika przez uzwojenie wtórne o liczbie zwojów z2 i indukuje
w tym uzwojeniu napięcie indukcji wzajemnej.
a) b)
Rys. 15. Zasada działania transformatorów a) Schemat budowy transformatora jednofazowego,
b) Budowa rdzenia transformatora trójfazowego [7]
JeŜeli do uzwojenia wtórnego dołączony jest odbiornik Z1, to pod wpływem
zaindukowanego w tym uzwojeniu napięcia popłynie prąd i2.
Jednym ze sposobów uzyskania transformatora trójfazowego jest odpowiednie połączenie
uzwojeń trzech transformatorów jednofazowych w układ trójfazowy. Wykonuje się to czasem
w celu uzyskania transformatorów trójfazowych bardzo duŜych mocy. Wtedy bowiem kaŜda
z jednostek jednofazowych jest niezbyt duŜa i dogodniejsza w transporcie. Tańszy jest jednak
transformator trójfazowy zbudowany jako jedna jednostka. W trzech transformatorach
jednofazowych, których rdzenie są złoŜone w symetryczną gwiazdę, a których uzwojenia są
zasilane symetrycznym napięciem trójfazowym, suma chwilowych wartości strumieni
fazowych jest równa zeru, tzn.
Φ1+ Φ2+ Φ3 = 0

24
MoŜna więc usunąć rdzeń środkowy. JeŜeli jeszcze pozostałe kolumny umieści się
w jednej płaszczyźnie, to otrzyma się rdzeń transformatora trójfazowego jak na rysunku 15b.
Uzwojenia transformatorów mogą być połączone w gwiazdę lub w trójkąt.
Maszyny prądu stałego
W maszynie prądu stałego wyróŜnia się część nieruchomą, zwaną stojanem, oraz część
ruchomą, nazywaną wirnikiem lub twornikiem. Uzwojenie wirnika jest umieszczone
w Ŝłobkach i przyłączone do wycinków komutatora. Pierścień zewnętrzny stojana, zwany
jarzmem, wraz z przymocowanymi do niego rdzeniami elektromagnesów głównych
i pomocniczych jest elementem obwodu magnetycznego maszyny. Na rdzeniach biegunów
głównych jest osadzone uzwojenie wzbudzenia (magnesujące), którego prąd wytwarza
główny strumień magnetyczny. Na rdzeniach biegunów pomocniczych są umieszczone
uzwojenia komutacyjne, zwane równieŜ pomocniczymi lub zwrotnymi. Zadaniem ich jest
poprawienie warunków komutacji. W maszynach o specjalnym przeznaczeniu stosuje się
takŜe uzwojenie kompensacyjne, słuŜące do skompensowania oddziaływania twornika.
Uzwojenie to umieszczone jest w Ŝłobkach biegunów głównych.
Rys. 16. Rozmieszczenie uzwojeń i biegunów maszyny prądu stałego 1 – jarzmo stojana, 2 – biegun główny,
3 – uzwojenie wzbudzenia, 4 – uzwojenie kompensacyjne, 5 – uzwojenie bieguna komutacyjnego,
6 – biegun komutacyjny, 7 – szczotki, 8 – uzwojenie twornika, 9 – twornik [7]
W prądnicy prądu stałego dokonuje się zamiana energii mechanicznej ruchu obrotowego
wirnika na energię elektryczną. W wirującym uzwojeniu twornika w polu magnetycznym,
indukuje się – zgodnie z regułą prawej dłoni – siła elektromotoryczna, której zwrot jest
przemienny (zaleŜy od kierunku przemieszczania się pręta w polu magnetycznym). Siła
elektromotoryczna (a tym samym i prąd), powstająca w tworniku jest sinusoidalna.
Elementem prostowniczym, dającym w obwodzie zewnętrznym prądnicy napięcie o stałej
biegunowości jest komutator.
W silniku prądu stałego dokonuje się przemiana energii elektrycznej w energię
mechaniczną ruchu obrotowego. JeŜeli uzwojenie wirnika, przez które płynie prąd
elektryczny, znajdzie się w polu magnetycznym biegunów głównych, to będzie na nie działać
siła, powodująca ruch o zwrocie określonym regułą lewej dłoni. W silniku komutator odgrywa

25
rolę falownika, przetwarzającego prąd stały sieci zasilającej na prąd przemienny, płynący
w prętach twornika.
Ze względu na sposób przyłączenia uzwojenia wzbudzenia silnika do źródła rozróŜniamy
silniki:
− obcowzbudne,
− bocznikowe,
− szeregowe,
− szeregowo-bocznikowe.
Ponadto są budowane silniki o magnesach trwałych, w których źródłem strumienia
magnetycznego jest magnes trwały. Silniki te są budowane o mocy do ok. 100W. Stosowane
materiały magnetyczne to: materiały proszkowe z ferrytów lub magnesy lane ze stopów
alniko. Charakterystyka zewnętrzna silnika z magnesami trwałymi przy stałym napięciu
zasilającym twornik jest taka sama, jak dla silnika obcowzbudnego.
Ze względu na sposób wzbudzenia pola magnetycznego dzielą się na:
− silnik prądu stałego obcowzbudny (rys. 17a) – silnik prądu stałego z magnesami
trwałymi, którego budowę i działanie opisano powyŜej lub z elektromagnesami, tj.
z osobnym uzwojeniem wzbudzenia w stojanie zasilanym z oddzielnego źródła zasilania
niŜ obwód twornika – stosowane głównie w napędach wymagających regulacji prędkości
w szerokim zakresie obrotów,
− silnik prądu stałego samowzbudny – silniki z elektromagnesem w stojanie mogą mieć
połączone uzwojenia stojana i wirnika szeregowo, równolegle (bocznikowo) lub
w sposób mieszany. Sposób podłączenia określa rodzaj silnika.
− silnik szeregowy (rys. 17d) – o uzwojeniu wzbudzenia w stojanie połączonym szeregowo
z uzwojeniem twornika. Charakteryzuje się duŜą zaleŜnością prędkości obrotowej od
obciąŜenie. Zmniejszanie obciąŜenie powoduje wzrost prędkości obrotowej (teoretycznie
do nieskończenie wielkiej) i grozi tzw. rozbieganiem, a w konsekwencji zniszczeniem
silnika. Jest to jego powaŜna wada. Dlatego tego typu silników nie wolno włączać bez
obciąŜenia. Stosowane są głównie w trakcji elektrycznej (napędy lokomotyw, tramwajów,
trolejbusów) i pojazdach mechanicznych (wózki akumulatorowe, rozruszniki
samochodów), w napędach dźwigów, wentylatorów itp.
Silnik szeregowy moŜe być, jako jedyny silnik prądu stałego, zasilany równieŜ prądem
przemiennym. Silniki takie zwane są teŜ silnikami uniwersalnymi. MoŜliwość ich róŜnego
zasilania wynika z faktu, Ŝe kierunek wirowania wirnika nie zaleŜy od biegunowości
przyłoŜonego napięcia. W przypadku, gdy silnik ma być zasilany prądem stałym zarówno
stojan jak i wirnik wykonywane są z litego materiału. Natomiast przy zasilaniu prądem
przemiennym części te wykonuje się z pakietu blach zmniejszając tym samym straty cieplne
powstałe na skutek prądów wirowych. Ze względu na stosunkowo małe wymiary przy
stosunkowo duŜej mocy silniki te znalazł duŜe zastosowane w urządzeniach wymagających
duŜych prędkości obrotowych napędu, np. w odkurzaczach, elektronarzędziach, suszarkach,
sokowirówkach, mikserach, pralkach itp.
Silnik bocznikowy (rys. 17b) – o uzwojeniu wzbudzenia w stojanie przyłączonym
równolegle z uzwojeniem twornika. Charakteryzuje się małą podatnością na zmianę prędkości
obrotowej na skutek zmiany obciąŜenia. Stosowany głównie w napędach obrabiarek, pomp,
dmuchaw, kompresorów,
Silnik szeregowo-bocznikowy (rys. 17c) – o uzwojeniu wzbudzenia w stojanie
połączonym z uzwojeniem twornika w sposób mieszany (część szeregowo, a część
równolegle). Charakteryzuje się brakiem głównej wady silnika szeregowego – moŜliwości
jego rozbiegania – oraz jego zaletami – duŜy moment obrotowy i duŜa zaleŜność prędkości
obrotowej od obciąŜenia. Stosowane są zazwyczaj jako silniki duŜych mocy, tam gdzie
występuje cięŜki rozruch: do napędu walcarek, pras, dźwigów oraz w napędach okrętowych
mechanizmów pokładowych.

26
Rys. 17. Schematy i oznaczenia wyprowadzeń w maszynach prądu stałego: a) maszyna obcowzbudna,
b) maszyna bocznikowa, c) maszyna szeregowo–bocznikowa, d) silnik szeregowy
Prędkość kątową silników prądu stałego reguluje się przez:
− zmianę rezystancji obwodu twornika – włączenie rezystora dodatkowego (prędkość
obrotowa maleje, regulacja nieekonomiczna),
− zmianę napięcia zasilającego twornik (prędkość obrotowa maleje, stosowana dla silników
o jednej wartości napięcia, ekonomiczna),
− zmianę strumienia głównego (prędkość obrotowa rośnie, ekonomiczna).
W celu ułatwienia – ograniczenia prądu rozruch silników prądu stałego jest moŜliwy
przez:
− zmianę napięcia twornika od 0 do Un przy zasilaniu obwodu wzbudzenia znamionowym
napięciem,
− włączenie rezystora (rozrusznika) w szereg z uzwojeniem twornika.
Silniki bocznikowe i obcowzbudne są stosowane do napędu urządzeń, wymagających
płynnej regulacji prędkości kątowej w szerokim zakresie.
Silniki szeregowe są stosowane do napędu urządzeń pracujących przy znacznych
i częstych przeciąŜeniach, wymagających duŜych momentów rozruchowych (dźwigi, trakcja).
Ze względu na moŜliwość rozbiegania się, silniki te muszą być na stałe sprzęgnięte
z urządzeniem napędzanym.
G
A1
A2
B1
B2
J K
a)
Un
Uwn
G
A1
A2
B1
B2
E1 E2
b)
Un
Rd
G
A1
A2
B1
B2
E1 E2
c)
Un
Rd
D1 D2
G
A1
A2
B1
B2
d)
Un
D1 D2

27
a) b)
Rys. 18. Wygląd zewnętrzny maszyn wirujących: a) silnik prądu stałego małej mocy, b) silnik indukcyjny prądu
zmiennego
Silniki szeregowo – bocznikowe łączą zalety obu silników i dlatego mają zastosowanie
do napędu maszyn, wymagających stałej prędkości kątowej lub zwiększonego momentu
rozruchowego w porównaniu z silnikiem bocznikowym.
Silniki indukcyjne trójfazowe
Trójfazowe uzwojenie stojana o liczbie par biegunów równej p, zasilane z sieci
trójfazowej symetrycznej o częstotliwości f, wytwarza wirujące pole magnetyczne kołowe.
Pole to, wiruje względem stojana z prędkością kątową synchroniczną i przecina zwarte
uzwojenie wirnika, indukując w nim prąd. Wirujące pole „pociąga” za sobą uzwojenie
wirnika, w którym płynie prąd. Stosuje się dwa typy wirników:
− wirnik z uzwojeniem przystosowanym do zasilania prądem stałym – wówczas jest to
silnik synchroniczny,
− wirnik z uzwojeniem zwartym (uzwojenie wykonane w formie zwartych prętów
aluminiowych, lub trójfazowych uzwojeń nawijanych drutem nawojowym, skojarzonych
wewnętrznie w gwiazdę i końcami wyprowadzonymi na zewnątrz za pomocą pierścieni
słuŜbowych – wówczas jest to silnik asynchroniczny.
Silniki indukcyjne asynchroniczne
Silnik asynchroniczny składa się z dwóch podstawowych części: nieruchomego stojana
i ruchomego wirnika. Przemienny prąd w symetrycznym trójfazowym uzwojeniu stojana
powoduje powstanie zmiennego pola magnetycznego dla kaŜdej z faz w taki sposób, Ŝe
wypadkowe pole jest polem wirującym. Pole to w wyniku indukcji elektromagnetycznej
(stąd inna nazwa silnika silnik indukcyjny) powoduje powstanie siły elektromotorycznej
w uzwojeniach wirnika, pod wpływem której płynie przez uzwojenia wirnika prąd
elektryczny. Oddziaływanie pól magnetycznych stojana i wirnika wywołuje powstanie
momentu elektromagnetycznego i ruch.
Siła elektromotoryczna w uzwojeniach wirnika powstaje gdy wirnik obraca się
z prędkością inną niŜ prędkość wirowania pola magnetycznego. W typowych silnikach przy
obciąŜeniu znamionowym jest to o dwa do czterech procent mniej niŜ szybkość wirowania
pola magnetycznego (poślizg). Silnik asynchroniczny bez obciąŜenia uzyskuje obroty prawie
równe obrotom silnika synchronicznego (poślizg<1%).

28
Efekt wirowania pola jest uzyskiwany automatycznie w instalacjach trójfazowych.
W instalacjach jednofazowych konstruuje się układy uzwojeń, w których płynie prąd
z przesunięciem fazowym, co uzyskuje się przez zasilanie jednej fazy uzwojenia przez
kondensator lub dodatkowe uzwojenie zwarte. Prędkość wirowania silnika zaleŜy od
prędkości wirowania pola stojana. Prędkość wirowania pola stojana zaleŜy od częstotliwości
napięcia zasilania oraz od konstrukcji uzwojeń (tzw. liczby par biegunów).
Uzwojenia wirnika mogą być wewnętrznie połączone (zwarte – silnik zwarty) lub ich
końcówki są przyłączone do pierścieni ślizgowych przekazujących przez szczotki prąd na
zewnątrz silnika (silnik pierścieniowy). Wyprowadzone na zewnątrz uzwojenia są połączone
przez oporniki lub są zwarte. Oporniki podłącza się na czas rozruchu silnika, następnie
zmniejsza się opór i zwiera uzwojenia. Oporniki ograniczające prąd uzwojeń wirnika stosuje
się w celu zwiększenia momentu obrotowego i zmniejszenia prądu pobieranego przez silnik
(by nie przeciąŜyć instalacji zasilającej) szczególnie podczas rozruchu silnika lub w celu
uzyskania łagodnego startu silnika.
Silnik elektryczny synchroniczny – silnik elektryczny prądu przemiennego, w którym
prędkość wirowania wirnika jest synchroniczna z prędkością wirowania pola magnetycznego
wytworzonego przez nieruchome uzwojenia stojana.
Podobnie jak w silniku asynchronicznym, silnik ten zwykle posiada trójfazowe uzwojenie
stojana, wytwarzające magnetyczne pole wirujące. RóŜnice występują w wirnikach tych
silników. Starsze rozwiązania budowy silników synchronicznych zakładają, Ŝe wirnik
wykonany jest w postaci uzwojenia nawiniętego na rdzeniu i zasilanego, za pośrednictwem
pierścieni ślizgowych i szczotek, ze źródła prądu stałego lub przemiennego. Wirniki te
wykonuje się w dwojaki sposób, jako: wirniki cylindryczne (z utajonymi biegunami) lub
wirniki z biegunami jawnymi.
KaŜdy biegun posiada własne uzwojenie nawinięte na rdzeniu bieguna. odpowiedni
kształt nabiegunnika pozwala uzyskać odpowiedni rozkład indukcji na obwodzie wirnika.
Uzwojenie wzbudzenia wirnika cylindrycznego umieszcza się w wyfrezowanych
w stalowym korpusie Ŝłobkach i zabezpiecza się przed wypadnięciem ze Ŝłobków za pomocą
klinów. Uzwojenie to zajmuje tylko część obwodu wirnika (około 2/3 obwodu).
Po zasileniu uzwojeń stojana, wytworzone zostanie w nim wirujące pole magnetyczne.
JeŜeli wyobrazić sobie to pole jako wirującą parę biegunów, to nieobciąŜony namagnesowany
wirnik ustawi się w osi pola stojana i zacznie wirować wraz z tym polem synchronicznie.
JeŜeli wirnik obciąŜony zostanie momentem hamującym spóźni się nieznacznie względem
wirującego pola. Zmiany obciąŜenia nie powodują zmian prędkości obrotowej wirnika (jak to
ma miejsce w silniku asynchronicznym), lecz zmianę kąta opóźnienia wirnika.
Wirnik zarówno w stanie jałowym (bez obciąŜenia) jak i przy obciąŜeniu obraca się ze
stałą prędkością, równą prędkości wirowania pola magnetycznego (z prędkością
synchroniczną). JeŜeli jednak moment obciąŜenia będzie większy niŜ maksymalny moment
elektromagnetyczny silnika (jeŜeli kąt pomiędzy osią stojana i wirnika przekroczyłby 90°),
wówczas maszyna wypadnie z synchronizmu i po pewnym czasie zatrzyma się.
Jedna z wad silnika synchronicznego jest to, Ŝe nie potrafi on samoczynnie wystartować
po zasileniu uzwojeń. Podanie napięcia na stojan powoduje powstanie pola wirującego, które
wywołuje przemienny moment obrotowy działający na wirnik. Ze względu na zbyt duŜą
częstotliwość zmian tego momentu wobec bezwładności wirnika, nie jest on w stanie ruszyć
z miejsca.
Istnieje kilka moŜliwości radzenia sobie z tą niedogodnością. Jedną z nich jest
zastosowanie dodatkowej maszyny, która rozpędza wirnik silnika synchronicznego do
prędkości zbliŜonej do synchronicznej. Rolę takiej maszyny pełni dodatkowy silnik

29
asynchroniczny lub silnik prądu stałego, ale raczej tego rozwiązania nie stosuje się
w praktyce. Innym sposobem uruchomienia silnika synchronicznego jest skorzystanie
z rozwiązania stosowanego w silnikach asynchronicznych. Obecnie najlepszym rozwiązaniem
słuŜącym do uruchamiania silników synchronicznych wydaje się zastosowanie specjalnych
elektronicznych przemienników częstotliwości (falowników) które pozwalają na
systematyczne zwiększanie częstotliwości napięcia zasilania uzwojeń stojana co pozwala na
stopniowe rozpędzenie wirnika. W przypadku silników z magnesami trwałymi jest to
w zasadzie jedyne rozwiązanie.
Rozruch i regulacja obrotów
Prędkość obrotowa silników indukcyjnych synchronicznych ns [obr/min] zaleŜy od
częstotliwości zasilania sieci f [Hz] oraz od konstrukcji maszyny (od ilości par biegunów p).
p
f
ns
×
=
60
Dla częstotliwości 50 Hz, obroty znamionowe silnika synchronicznego, który posiada
1 parę biegunów prędkość obrotowa wynosi: 3000 obr/min., dla dwóch par biegunów: 1500
obr/min, dla trzech: 1000obr/min. W silnikach asynchronicznych prędkości te są odpowiednio
niŜsze o około 10÷15%.
Największymi wadami silnika asynchronicznego jest brak bezpośredniej moŜliwości
regulacji prędkości obrotowej, a w silnikach klatkowych takŜe gwałtowny rozruch.
Dlatego teŜ w niektórych rozwiązaniach stosowano silniki pierścieniowe. Zastosowanie
oporników włączanych w obwód uzwojeń wirnika umoŜliwiało łagodny rozruch. Obecnie
powszechnie stosowanym rozwiązaniem, mającym na celu ograniczenie prądu podczas
rozruchu, jest podłączanie uzwojeń silnika na czas rozruchu w gwiazdę, a po uzyskaniu
właściwych obrotów – przełączenie w trójkąt. Połączenie w gwiazdę zmniejsza moc silnika
i moŜe być stosowane takŜe podczas pracy silnika jeŜeli nie ma zapotrzebowania na moc.
Rozruch silników indukcyjnych
Prąd rozruchowy podczas bezpośredniego włączenia silnika do sieci moŜe dochodzić do
wartości (9 × In) a moment rozruchowy moŜe być mniejszy od momentu znamionowego.
Właściwości rozruchowe silników moŜna zmienić przez:
− zmianę wartości napięcia zasilania stojana – tylko przy rozruchu lekkim (za pomocą
transformatora, autotransformatora bądź przełącznika gwiazda–trójkąt),
− włączenie rezystancji lub reaktancji w obwód stojana,
− włączenie rezystancji lub reaktancji w obwód wirnika,
− zmianę częstotliwości napięcia zasilającego uzwojenie stojana.
Wraz z rozwojem elektroniki, a w szczególności tranzystorów mocy, triaków
i mikroprocesorów, zaczęto stosować układy łagodnego rozruchu (soft start) oraz regulować
prędkość obrotową przemiennikami częstotliwości. Rozwój technologiczny i spadek kosztów
układów falownikowych są przyczyną coraz częstszego stosowania tego typu urządzeń dla
silników klatkowych. Układy z regulacją obrotów, umoŜliwiają uzyskanie znacznych
oszczędności energii zastępując układy, w których maszyna (pompa, wentylator) pracowała
cyklicznie, przepływ był dławiony lub tracony.
Generatory
Generator synchroniczny jest to na ogół trójfazowa prądnica prądu zmiennego, w której
pole magnetyczne wytworzone jest przez uzwojenie wzbudzenia zamontowane na wirniku.
Uzwojenie to zasilane prądem stałym i indukuje w uzwojeniu stojana zmienne napięcie

30
elektryczne. Energia mechaniczna dostarczana do wirnika odbierana jest z uzwojeń stojana
jako energia elektryczna. Generator synchroniczny jest maszyną odwracalną i moŜe pracować
takŜe jako silnik.
Zasilanie uzwojenia wzbudzenia prądem stałym (lub zastosowanie magnesów trwałych)
powoduje, Ŝe pole magnetyczne wytworzone przez to uzwojenie jest nieruchome w stosunku
do wirnika i obraca się synchronicznie razem z wirnikiem (stąd nazwa generator
synchroniczny). W maszynach takich nie występuje zjawisko poślizgu i nie ma potrzeby
budowania wirnika z cienkich lakierowanych blach (blachowania), poniewaŜ w czasie
normalnej pracy nie płyną w nim prądy przemienne. Generatory synchroniczne produkowane
są o mocach od kilkunastu kW do kilkuset MW.
Zasilanie uzwojenia wzbudzenia z niezaleŜnego źródła prądu stałego tzw. wzbudnicy daje
moŜliwość łatwej regulacji prądu magnesującego i kompensacji mocy biernej w systemie,
przez co generatory synchroniczne umoŜliwiają stabilną współpracą z odbiornikami
indukcyjnymi (transformatorami) i w konsekwencji zapewniają stabilne napięcie sieciowe
u odbiorców końcowych zasilanych z sieci elektroenergetycznych niskiego napięcia.
Zabezpieczenia generatorów
Generatory synchroniczne powinny być wyposaŜone w następujące zabezpieczenia:
− zabezpieczenie nadmiarowo-prądowe stojana od przetęŜeń i skutków zwarć
zewnętrznych, początkowo tylko sygnalizujące niesprawność, a po określonym czasie –
wyłączają generator z sieci i odwzbudzają go (wyłączają napięcie wzbudzające),
− zabezpieczenie róŜnicowo-prądowe zabezpieczają przed zwarciami występujące we
wnętrzu stojana, działają bezzwłocznie – wyłączają generator i odwzbudzają go,
− zabezpieczenie ziemnozwarciowe stojana, które w przypadku doziemienia uzwojenia
stojana w zaleŜności od wartości prądu doziemnego sygnalizują awarię i wyłączają
maszynę i odwzbudzają ją,
− zabezpieczenie ziemnozwarciowe wirnika – reagujące w zaleŜności od rodzaju
uszkodzenia: przy pojedynczym zwarciu z ziemią tylko sygnalizują niesprawność,
natomiast przy drugim zwarciu powodując wyłączenie i odwzbudzenie generatora.
DuŜe generatory wyposaŜa się takŜe w zabezpieczenia przed asymetrią prądów stojana,
przed pracą asynchroniczną i przed przeciąŜeniem prądowym wirnika. Ponadto wszystkie
maszyny mogą być wyposaŜone w sygnalizację i zabezpieczenia kontrolujące temperaturę
wewnątrz maszyny i temperaturę czynnika chłodzącego.
Zabezpieczenia nadmiarowoprądowe
KaŜdy obwód elektryczny musi być zabezpieczony przed przeciąŜeniem i zwarciem.
Zabezpieczenia te chronią elementy instalacji przed zniszczeniem. Zadaniem zabezpieczeń
nadmiarowoprądowych stosowanych w układach elektrycznych i elektronicznych jest
wyłączanie urządzeń i obwodów w przypadku, gdy nastąpi wzrost prądu powyŜej wartości
nominalnej.
Wyłączenie danego obwodu w przypadku wzrostu wartości prądu, zabezpiecza
urządzenia przed zniszczeniem kolejnych elementów instalacji elektrycznej, przed
poraŜeniem lub poŜarem. Najczęściej powodem zadziałania bezpiecznika jest pojawienie się
uszkodzenia w zabezpieczanym urządzeniu lub w obwodzie. Zdarza się, Ŝe w niekorzystnych
sytuacjach bezpiecznik moŜe zadziałać, nawet w przypadku, gdy prąd nie przekroczy wartości
nominalnej. Dopuszczalne jest, by w przypadku zadziałania bezpiecznika raz wymienić
wkładkę bezpiecznika. JeŜeli po wymianie wkładki bezpiecznik zadziała ponownie, naleŜy
poddać obwód i urządzenie gruntownej diagnozie oraz naleŜy usunąć występujące
uszkodzenie.

31
Ochronniki przeciwprzepięciowe i ochrona przeciwzakłóceniowa
Ochronniki przeciwprzepięciowe przeznaczone są do ochrony urządzeń elektrycznych
przed przepięciami pochodzenia atmosferycznego oraz powstałymi w wyniku procesów
łączeniowych, tj. przed pojawieniem się krótkotrwałych impulsów napięciowych o bardzo
duŜej amplitudzie znacznie przekraczającej wartość napięcia nominalnego. Zapobiegają w ten
sposób uszkodzeniom sprzętu elektronicznego (odbiorniki RTV i terminale komputerowe).
Ochronnik działa na zasadzie warystora (rezystancja gwałtownie spada na skutek wzrostu
napięcia), pozwalając na swobodny przepływ prądu przez ochronnik, po przekroczeniu
poziomu maksymalnego dopuszczalnego napięcia Uc. W stanie nieaktywnym, gdy przepięcia
nie występują, ochronnik posiada bardzo wysoki poziom impedancji i nie wpływa na
pozostałą część instalacji. W stanie aktywnym, w momencie wystąpienia przepięcia, następuje
wzbudzenie ochronnika i przepływ przez niego prądu. Napięcie na zaciskach odbiorników
zostaje ograniczone do określonego poziomu ochrony Up.
Bezpieczniki termiczne
Bezpieczniki termiczne rozłączają obwód nie pod wpływem prądu przez nie płynącego,
tylko wskutek wzrostu temperatury otoczenia. Są stosowane do ochrony przed uszkodzeniem
pod wpływem nadmiernej temperatury.
Bezpieczniki termiczne są zbudowane inaczej niŜ typowe wkładki topikowe, zazwyczaj
nie zawierają drucika topikowego, ich rezystancja jest bardzo mała i mogą przewodzić duŜe
prądy zmienne, nawet do 200A. Ze względu na powstawanie łuku podczas rozłączania,
napięcie pracy nie powinno przekraczać 250V.
W zakresie temperatur od +72O
C do +240O
C występuje 20 nominałów, a odchyłka od
znamionowej temperatury jest niewielka i wynosi co najwyŜej kilka stopni. Bezpiecznik
termiczny jest elementem jednorazowego zadziałania, który po przekroczeniu określonej
temperatury na stałe rozwiera obwód. Spotyka się takŜe bimetalowe termostaty, które po
ostygnięciu ponownie zwierają swe styki.
W trakcie montaŜu bezpieczników termicznych termobimetalowych naleŜy zadbać,
by czujniki termiczne przylegały do elementów chronionych, tak by rejestrowana temperatura
przez czujnik była identyczna z tą, jaką posiada zabezpieczany element.
a) b)
Rys. 19. Bezpieczniki termiczne a) termobimetalowy, mierzące bezpośrednio temperaturę urządzenia
b) elektromagnetyczny – który na podstawie wielkości pobieranego przez urządzenie prądu, określa
potencjalną temperaturę urządzenia
Zabezpieczenia przed otwarciem obudów w trakcie pracy maszyny
W celu uniknięcia wypadku bardzo często stosuje się zabezpieczenia przed
nieświadomym działaniem człowieka, które moŜe zwiększyć prawdopodobieństwo zaistnienia
wypadku. Podstawowym elementem wykrywającym fakt zdjęcia obudowy urządzenia
są czujniki stykowe, czujniki pojemnościowe lub czujniki kontraktonowe.

32
Po wykryciu otwarcia pokrywy lub zdjęcia obudowy następuje natychmiastowe
wyłączenie napięcia, a przez to zatrzymanie całego urządzenia. Wyłączenie takie zabezpiecza
nie tylko przed dotknięciem elementów będących pod napięciem, ale równieŜ przed udarami
mechanicznymi, które mogą nastąpić w przypadku włoŜenia ręki lub jakiegokolwiek
przedmiotu między poruszające się elementy.
a) b)
Rys. 20. Łączniki krańcowe w obudowie
metalowej z przełącznikiem migowym
łączniki przystosowane do montaŜu
śrubkami lub nitami
Rys. 21. Mikroprzełączniki subminiaturowe krańcowe,
szczelne, przystosowane do montaŜu na
płytkach drukowanych, z dźwignią
pośredniczącą
a) b)
Rys. 22. Czujnik zbliŜeniowy pojemnościowy Rys. 23. Czujnik indukcyjny
Okrętowe systemy elektroenergetyczne naleŜą do grupy tzw. autonomicznych systemów
elektroenergetycznych, określanych mianem „isolated power systems”.
Cechy charakterystyczne tego rodzaju systemów to: ograniczona, niewielka liczba źródeł
energii, niespotykany w innych przypadkach stosunek mocy pojedynczego odbiornika
do mocy źródeł energii elektrycznej oraz relatywnie duŜa wartość impedancji zwarcia prądnic
instalowanych w tych systemach. W efekcie zaburzenia elektromagnetycznego (a zwłaszcza
wywołane nimi zmiany częstotliwości oraz zniekształcenia prądów i napięć)
w autonomicznych systemach elektroenergetycznych zniekształcenia znacznie przekraczają
swoim poziomem zaburzenia w duŜych, połączonych systemach elektroenergetyki lądowej,
obserwowane w czasie ich normalnej eksploatacji. Elektroenergetyczna sieć okrętowa jest
siecią „elastyczną” tzn. charakteryzuje się ona duŜymi zmianami napięcia i częstotliwości,
spowodowanymi zmianami prądu obciąŜenia okrętowego systemu elektroenergetycznego.
Wynika to z porównywalnych mocy elektrowni okrętowej i załączanych duŜych odbiorników
energii, np. sterów strumieniowych, pomp, spręŜarek. Przykładowo, moce elektrycznych
silników napędowych sterów strumieniowych często przekraczają 1 MW, a moc
wolnostojącego zespołu prądotwórczego moŜe być poniŜej tej wartości.
Instalację elektryczną na jednostkach pływających wykonuje się uŜywając specjalnie
przygotowane do tego aparaty i urządzenia. O specyfice ich świadczy fakt, Ŝe nawet przewody
i kable muszą być wykonane ze specjalnych materiałów i posiadać specjalne atesty
towarzystw klasyfikacyjnych. Przewody i kable stosowane na pokładach jednostek
pływających powinny być niepalne, nie powinny równieŜ w przypadku wzrostu temperatury
wydzielać trujących gazów. Izolacje przewodów i kabli muszą być wzmocnione,
a w niektórych przypadkach, wprowadza się dodatkowe warstwy zabezpieczające przed

33
zerwaniem i przetarciem. Przewody te pracują w warunkach ekstremalnych, w duŜej
wilgotności, zmiennej temperaturze oraz poddawane są drganiom o zmiennej częstotliwości.
Wymagania jakie się stawia przed aparatami i urządzeniami elektrycznymi wynikają
z przedstawionej wcześniej charakterystyki warunków pracy. Wszystkie urządzenia i układy
muszą być odporne na: duŜe zmiany wartości napięć zasilających, zalewanie wodą, wysoka
wilgotność powietrza, mgłę solną, wibracje, wstrząsy i kołysania.
Wszystkie te czynniki, ograniczając trwałość waŜnych elementów systemu, mogą mieć
pośredni wpływ na jakość energii elektrycznej. Czynnikiem, wpływającym bezpośrednio na
zmiany wartości skutecznej napięcia i jego częstotliwości w rozwaŜanych sieciach jest stan
morza, zwłaszcza w czasie pracy prądnicy wałowej. W przypadku duŜej fali dochodzi do
zmian prędkości obrotowej silnika głównego na skutek zmian jego obciąŜenia. W efekcie
pogarsza się jakość wytwarzania energii elektrycznej przez sprzęgniętą z silnikiem głównym
prądnicę wałową.
Urządzenia i aparaty muszą charakteryzować się wysoką niezawodnością, odpornością na
drgania i wilgoć. Zakres temperatur w których pracują musi być bardzo szeroki. Dlatego
zamiast stosować jedno urządzenie o duŜej mocy, często stosuje się połączenie kilku
mniejszych urządzeń. W przypadku awarii jednej maszyny inne pozostają do dyspozycji
obsługi. Często w celu zwiększenia niezawodności montuje się podwójne urządzenia
(rozdzielnie) z czego jedno z nich stanowi rezerwę. W przypadku awarii rozdzielni głównej
obsługa moŜe dokonać niezbędnych przełączeń i funkcję przejmuje rozdzielnia zapasowa.
Niektóre urządzenia posiadają wewnątrz wbudowane akumulatory, w przypadku braku
zasilania pozwalają one na podtrzymanie pełnionych funkcji w czasie awarii (np. niektóre
oprawy oświetleniowe, nadajniki radiowe, itp.)
1. Z jakich elementów zbudowany jest transformator?
2. Jaka jest zasada działania transformatora?
3. Jakie zadania realizują generatory?
4. W jaki sposób wytwarzana jest energia elektryczna?
5. Jakie występują rodzaje silników, jakimi cechami się one charakteryzują?
6. W jaki sposób dokonuje się rozruch silników prądu zmiennego?
7. Co oznacza prędkość synchroniczna i od czego ona zaleŜy?
8. Przed jakimi zakłóceniami zabezpiecza się generatory?
9. Do czego słuŜą zabezpieczenia nadmiarowoprądowe?
10. W jakich warunkach klimatycznych pracują urządzenia i aparaty elektryczne na
pokładach jednostek pływających?
4.2.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Zbuduj układ zasilania do wskazanego przez nauczyciela silnika. Uruchom silnik.
1) zapoznać się z tabliczką znamionową silnika,

34
2) określić rodzaj napięcia zasilania, wartość napięcia zasilania, częstotliwość, moc,
3) znaleźć w literaturze układ zasilania,
4) dobrać odpowiednie przyrządy i aparaty elektryczne,
5) połączyć układ zasilania,
6) poprosić nauczyciela o sprawdzenie prawidłowości połączenia układu,
7) uruchomić układ pod nadzorem nauczyciela.
− silniki prądu stałego lub zmiennego,
− zasilacz dostosowany do napięć i mocy silnika,
− rezystor do regulacji prądu wzbudzenia,
− stycznik wraz z przyciskami sterującymi, lub włącznik 3 biegunowy dostosowany do
mocy silnika,
− komplet narzędzi elektromonterskich.
Ćwiczenie 2
Na podstawie pomiarów napięć pierwotnego i wtórnego transformatora jednofazowego
określ przekładnię transformatora.
1) narysować schemat układu,
3) ustawić napięcie na autotransformatorze, który zasila uzwojenie pierwotne,
4) poprosić nauczyciela o sprawdzenie układu,
6) odczytać wartość napięcia z woltomierza podłączonego do uzwojenia wtórnego,
7) wyznaczyć przekładnie transformatora.
− autotransformator sieciowy,
− transformator badany małej mocy,
− dwa woltomierza AC o zakresach dostosowanych do wartości napięć znamionowych
transformatora badanego,
− przewody łączeniowe.
Ćwiczenie 3
Sprawdź wpływ częstotliwości i wartości napięcia zasilania na prędkość obrotową silnika
indukcyjnego prądu zmiennego.
1) rozpoznać na podstawie tabliczki znamionowej silnik,
2) odnaleźć w literaturze schemat układu zasilania silnika,
3) zbudować układ sterowania silnika,

35
4) podłączyć częstościomierz oraz woltomierz,
5) poprosić nauczyciela o sprawdzenie prawidłowości połączenia układu,
6) uruchomić silnik,
7) odczytać wartość napięcia oraz częstotliwość,
8) zmieniać wartość napięcia w granicach (60÷100)% Un,
9) zmierzyć prędkość obrotową,
10) zmieniać wartość częstotliwości w granicach (80÷150)% fn,
11) wyrysować na papierze milimetrowym funkcję n = f(f) oraz n = f(U).
− instrukcja obsługi falownika – przetwornicy częstotliwości,
− przetwornica częstotliwości – falownik,
− silnik asynchroniczny,
− komplet narzędzi elektromonterskich,
− obrotomierz mechaniczny lub elektroniczny,
− woltomierz dostosowany do pomiarów napięcia o częstotliwości (80÷150)% fn,
− częstościomierz.
Ćwiczenie 4
Zbuduj i uruchom układ do regulacji prędkości obrotowej silnika indukcyjnego
klatkowego. Sprawdź w jakim zakresie moŜliwa jest regulacja prędkości obrotowej.
1) zapoznać się z instrukcja falownika – sterownika silnika indukcyjnego,
2) podłączyć silnik zgodnie z instrukcja sterownika,
3) poprosić nauczyciela o sprawdzenie prawidłowości podłączenia silnika,
5) zmierzyć obrotomierzem zakres regulacji prędkości (obroty najmniejsze i największe).
− silnik indukcyjny klatkowy,
− falownik – sterownik silników indukcyjnych dostosowany do mocy silnika,
− instrukcja obsługi falownika,
− zestaw narzędzi elektromonterskich,
− obrotomierz.
Czy potrafisz:
Tak Nie
1) rozróŜnić na podstawie symboli podstawowe maszyny elektryczne
zamontowane na jednostkach pływających?
2) opisać budowę i omówić zasadę działania transformatora?
3) opisać budowę i omówić zasadę działania silników prądu stałego?
4) opisać budowę i omówić zasadę działania silników prądu zmiennego?
5) opisać budowę i omówić zasadę działania generatorów?

36
4.3. Elementy i układy elektroniczne
Prostowniki jednopołówkowe
Najprostszym prostownikiem jest pojedyncza dioda prostownicza wpięta w układ
napięcia przemiennego (rys. 24a). Pomimo prostoty takiego układu jest on bardzo rzadko
stosowany z uwagi na występowanie duŜego tętnienia napięcia wyjściowego (rys. 25a).
Dodatkowo, energia dostarczana przez źródło wykorzystywana jest tylko przez pół okresu –
podczas drugiej połowy okresu napięcie jest po prostu blokowane i prąd w układzie nie
płynie. Wprowadza to niesymetrię obciąŜenia układu prądu przemiennego, co jest
niekorzystne dla sieci prądu przemiennego. Z powyŜszych powodów rozwiązanie to
stosowane tylko w układach niewielkiej mocy.
a) b)
Rys. 24. Schematy najpopularniejszych prostowników jednofazowych, a) układ jednodiodowy, b) układ
mostkowy (mostek Greatz’a)
a) b)
Rys. 25. Przebiegi napięcia wyjściowego a) dla prostowników jednopołówkowych b) dla prostowników
dwupołówkowych
Obecnie jednym z najczęściej stosowanych prostowników jednofazowych jest mostek
Graetz'a (rys. 24b). Proces prostowania napięcia przebiega w dwóch etapach. W pierwszej
połówce okresu przewodzą tylko dwie diody tak jak to pokazano na rys. 25b (pozostałe dwie
diody są spolaryzowane zaporowo). W drugiej połówce okresu sytuacja ulega odwróceniu –
przewodzą dwie pozostałe diody. Pomimo faktu, Ŝe napięcie wyjściowe prostownika jest
jednokierukowe to jednak nie jest ono napięciem stałym i wykazuje znaczne tętnienie –
dlatego teŜ prostowniki najczęściej stosuje się z odpowiednimi filtrami dolnoprzepustowymi
wygładzającymi przebieg.
U U
t t
+
–
~

37
Prostowniki trójfazowe
Prostowniki trójfazowe wykorzystuje się tam, gdzie dostępne jest trójfazowe zasilanie.
Generalnie charakteryzują się one znacznie mniejszym tętnieniem napięcia wyjściowego niŜ
prostowniki jednofazowe.
Trójfazowy prostownik jednopołówkowy moŜe działać tylko w układzie trójfazowym
z przewodem neutralnym. Oznacza to, Ŝe układ źródeł napięcia (lub uzwojeń wtórnych
transformatora) musi być połączony w gwiazdę (połączenie w trójkąt nie posiada przewodu
neutralnego).
Trójfazowy prostownik dwupołówkowy moŜe być stosowany w dowolnym układzie
napięcia trójfazowego – zarówno z przewodem neutralnym jak i bez niego. Napięcie
wyjściowe wykazuje bardzo małe tętnienie (w porównaniu do prostowników opisanych
powyŜej). Energia źródeł zasilania jest wykorzystywana w największym zakresie, co jest
szczególnie istotne w przypadku urządzeń duŜej mocy, jak np. spawarki transformatorowe.
Często prostowniki w tego typu urządzeniach posiadają moŜliwość sterowania wartością
prądu wyjściowego.
a) b)
Rys. 26. Przebiegi napięcia wyjściowego dla prostowników trójfazowych, a) trójpulsowych,
b) sześciopulsowych
Stabilizatory napięcia stałego
Stabilizator napięcia stałego jest to układ, który utrzymuje napięcie wyjściowe na
określonym poziomie. Najprostszym stabilizatorem jest stabilizator zbudowany na diodzie
Zenera (rys. 27).
Rys. 27. Stabilizator z diodą Zenera
Wartość rezystora R oblicza się z następującej zaleŜności:
R = ( Uwe – Uz ) / Iz,
gdzie Uwe – napięcie wejściowe, Uz – napięcie diody Zenera, Iz – prąd diody Zenera,
Iz = Pz / Uz,
gdzie Pz – maksymalna moc strat diody Zenera. Wadą tego rozwiązania jest stosunkowo
mały prąd jaki moŜna czerpać ze stabilizatora.
U U
t t
Uwe
R
Dz
Uwy

38
Układy energoelektroniczne
Urządzenia energoelektroniczne słuŜą do przekształcania energii elektrycznej i sterowania
jej przepływem. Charakteryzują się wysoką sprawnością energetyczną oraz moŜliwością
niemal dowolnego kształtowania postaci energii elektrycznej dla potrzeb róŜnego rodzaju
odbiorników.
Tabela 4. Symbole graficzne podzespołów elektronicznych
Opis symbolu Symbol graficzny Opis symbolu Symbol graficzny
Prostownik Moduł wyświetlacza
Stabilizator
Generator przebiegów
prostokątnych
Wzmacniacz Falownik
Zakres zastosowania urządzeń i elementów energoelektronicznych jest bardzo szeroki
i ulega ciągłemu rozszerzaniu. Obejmuje praktycznie większość dziedzin elektroniki
w przemyśle, gospodarce komunalnej oraz w urządzeniach elektrycznych powszechnego
uŜytku. Przemiany energii elektrycznej realizowane przez urządzenia energoelektroniczne
są róŜnorodne i dotyczą przekształtników o mocy od kilkudziesięciu watów do dziesiątków,
a nawet setek megawatów.
W ogólnym przypadku przekształtnik energoelektroniczny moŜna określić jako układ
przekazujący energię elektryczną między dwoma obwodami, w których moŜe występować
róŜna częstotliwość oraz róŜne poziomy napięć i prądów. Podstawowe symbole układów
elektronicznych przedstawiono w tabeli 4.
Jednym z podstawowych kryteriów podziału układów przekształtnikowych jest rodzaj
przetwarzania energii elektrycznej. Kierując się tym kryterium, moŜna wyróŜnić następujące
grupy przekształtników energoelektronicznych:
− prostowniki – słuŜące do przekształcania energii prądu przemiennego w energię prądu
stałego,
− falowniki – umoŜliwiające przekształcenia energii prądu stałego w energię prądu
przemiennego,
− przekształtniki energii prądu stałego – realizujące bezpośrednie lub pośrednie
(za pośrednictwem obwodu prądu przemiennego) przetwarzanie energii prądu stałego
w energię prądu stałego o róŜnej wartości napięcia i prądu,
− przemienniki częstotliwości bezpośrednie – umoŜliwiające przemiennoprądowe
przekształcanie energii prądu przemiennego w energię prądu przemiennego o róŜnych
wartościach napięć, prądów i częstotliwości,
− przemienniki częstotliwości pośrednie – z pośredniczącymi obwodami napięcia lub prądu
stałego, o moŜliwościach analogicznych jak dla przemienników bezpośrednich.
=
~

39
Działanie układów przekształtnikowych jest związane z procesami załączania lub
wyłączania półprzewodnikowych przyrządów (elementów) mocy. Ze względu na to, Ŝe
najszerzej stosowanym źródłem energii elektrycznej jest sieć elektroenergetyczna o napięciu
sinusoidalnym przemiennym największą grupę przekształtników stanowią przekształtniki
sieciowe (przekształtniki prądu przemiennego). Do grupy tej naleŜą:
− prostowniki,
− falowniki o komutacji sieciowej,
− sterowniki napięciowe częstotliwości,
− bezpośrednie przemienniki częstotliwości.
Jak podano wyŜej obszar zastosowań urządzeń energoelektronicznych jest bardzo szeroki.
Jako najczęściej występujące dziedziny zastosowań urządzeń energoelektronicznych moŜna
wymienić:
− regulowane napędy z silnikami prądu stałego i przemiennego,
− zasilanie urządzeń elektrotermicznych (głównie jako statyczne przemienniki
częstotliwości w nagrzewaniu indukcyjnym),
− zasilanie urządzeń oświetlenia elektrycznego,
− zasilanie urządzeń spawalniczych i galwanotechnicznych,
− zasilanie urządzeń trakcji elektrycznej (napędy i podstacje zasilające),
− układy rezerwowego (bezprzewodowego) zasilania prądu przemiennego 50 Hz stosowane
głównie w sieciach komputerowych, telekomunikacji i obiektach medycznych,
− stabilizowane źródła napięcia i prądu.
Rys. 28. Uproszony schemat urządzenia przekształtnikowego
NajwaŜniejszym elementem układu jest przekształtnik zbudowany
z półprzewodnikowych elementów, zwanych łącznikami lub zaworami (tyrystor, triak,
tranzystor mocy), współpracujących z elementami magazynującymi energię tzn. dławikami
i kondensatorami, a niekiedy takŜe z elementami rozpraszającymi energię np. rezystorami.
Do przekształcenia energii w przekształtnikach są stosowane zawory niesterowane
(diody), półsterowane (tyrystory klasyczne), w których steruje się tylko ich włączaniem
i w pełni sterowalne (tyrystory typu GTO lub tranzystory IGBT), pozwalające sterować ich
załączanie i wyłączanie.
W układzie energoelektronicznym jest szereg obwodów, które ze względu na jego
funkcjonowanie są od siebie oddzielone podstawową względnie podwójną izolacją. NaleŜą do
nich następujące obwody:

40
− obwody główne przekształtnika – oddzielone od sieci zasilającej przez transformator
prostownikowy lub dławiki (dławiki sieciowe nie powodują oddzielenia galwanicznego
od sieci, jednak mają istotny wpływ na przebieg prądu w przypadku doziemienia),
− obwody sterowania załączaniem zaworów,
− obwody regulacji,
− obwody diagnostyki,
− obwody pomiarowe,
− obwody pomocnicze (sterowania przekaźnikowe i sterowania pracą wentylatorów).
Obwód pierwszy jest obwodem energetycznym, silnoprądowym, natomiast pozostałe
obwody są zazwyczaj obwodami prądu stałego niskiego napięcia. Urządzenia
energoelektryczne są urządzeniami o duŜym stopniu złoŜoności i róŜnorodności.
Falownik jest to urządzenie elektryczne zamieniające prąd stały, którym jest zasilane,
na prąd przemienny o regulowanej częstotliwości wyjściowej. Jeśli w falowniku zastosuje się
modulację szerokości impulsów równocześnie ze zmianą częstotliwości moŜna regulować
wartość napięcia wyjściowego.
Falowniki słuŜą do regulacji prędkości obrotowej silników elektrycznych prądu
przemiennego. Mają obecnie szerokie zastosowanie w budowie układów sterowania
maszynami elektrycznymi, pozwalając m.in. na łagodny rozruch cięŜkich maszyn lub na
dostosowywanie wydajności maszyn do pozostałych urządzeń w linii produkcyjnej. TakŜe
chętnie stosowane są one w urządzeniach np. do zmiany prędkości obrotowej pomp lub
wentylatorów. Oprócz tego falowniki stanowią element składowy niektórych zasilaczy
impulsowych.
Dawniej stosowane były falowniki tyrystorowe. W chwili obecnej falowniki budowane są
przy wykorzystaniu tranzystorów IGBT lub tranzystorów polowych.
Transformator
Prostownik
sterowany
Filtr
indukcyjny
falownik
Filtr
pojemnościowy
Element
wykonawczy
Rys. 29.
Rys. 30. Schemat ideowy układu napędowego duŜej mocy z silnikiem prądu przemiennego
W zaleŜności od rodzaju źródła zasilania falownika wyróŜnia się:
− falowniki napięcia – zasilane ze źródła napięciowego – na wejściu falownika jest
kondensator ew. bateria kondensatorów o duŜej pojemności,
− falowniki prądu – zasilane ze źródła prądowego – na wejściu falownika prądu jest dławik.
W układzie do regulacji prędkości obrotowej silnika indukcyjnego, najpierw płynący prąd
jest prostowany w prostowniku trójfazowym i po wygładzeniu w dławiku następuję ponowna
zamiana, tym razem na prąd zmienny. Jednak częstotliwość prądu na wyjściu falownika
zaleŜy od układu sterowania. Częstotliwość napięcia zasilania w silnikach indukcyjnych ma
istotny wpływ na prędkość obrotową silnika.
M
3
~

41
1. Jakimi symbolami na schematach elektrycznych oznacza się elementy elektroniczne?
2. Jaka jest zasada działania diody?
3. W jakich urządzeniach znajdują zastosowanie układy przekształtnikowe?
4. Jakimi właściwościami charakteryzują się stabilizatory?
5. Jakie są podstawowe rodzaje prostowników?
6. Do czego słuŜą falowniki?
4.3.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Posortuj zgromadzone elementy i układy elektryczne i elektroniczne. Do kaŜdego
elementu i układu przyporządkuj odpowiedni symbol graficzny.
1) obejrzeć przekazane w pudełku zgromadzone elementy,
2) zapoznać się z symboliką stosowaną w znakowaniu elementów elektronicznych,
3) porównywać symbole na elementach z symbolami określonymi w normach,
4) zidentyfikować elementy,
5) zweryfikować wybory na podstawie ilości wyprowadzeń.
− zestaw elementów, w którym powinny być: diody, tranzystory, łączniki, transformatory
małej mocy, mikromaszyny, prostownik jednofazowy, prostownik trójfazowy, falownik,
itp.,
− przybory do pisania,
− literatura z rozdziału 6,
− karty katalogowe zgromadzonych elementów i układów.
Ćwiczenie 2
Zmontuj układ prostownika jednofazowego dwupołówkowego. Sprawdź jego działanie.
1) wyszukać odpowiednie schematy,
2) wybierać dowolny układ prostownika spośród istniejących typów,
3) na płytce uniwersalnej, połączyć układ zwracając uwagę na kierunek montaŜu diod,
4) poprosić nauczyciela by sprawdził poprawność montaŜu,
5) podłączyć zmontowany układ do transformatora, obniŜającego napięcie,
6) poprosić nauczyciela by pomógł ci za pomocą oscyloskopu zaobserwować kształt
przebiegu na zaciskach transformatora oraz na wyjściu z prostownika,
7) porównaj przebiegi z oscyloskopu, z tymi zamieszczonymi w poradniku.

42
− płytka uniwersalna,
− diody prostownicze, kilka róŜnych kompletów po 4 sztuki w komplecie,
− przewody typu LY 1 mm2
,
− zestaw narzędzi (lutownica, topnik, lutowie, szczypce płaskie, obcinaczki boczne,
zaciskarka do końcówek, wkrętaki, itp.),
− transformator z wyprowadzonym środkiem uzwojenia,
− stanowisko do ćwiczeń wyposaŜone w gniazdo zasilające zabezpieczone nadprądowo
(ok. 10 A oraz z zabezpieczeniem róŜnicowoprądowym),
− oscyloskop z sondami.
Ćwiczenie 3
Zbuduj układ stabilizatora opartego na układzie scalonym UL7815. Sprawdź wpływ
zmian napięcia wejściowego na napięcie wyjściowe stabilizatora.
1) odnaleźć w dokumentacji lub w Internecie kolejność wyprowadzeń stabilizatora 7815,
2) zmontować na płytce uniwersalnej układ,
3) podawać kolejno napięcia zasilające układ stabilizatora od 10÷30 V z przeskokiem co
1 V,
4) odczytywać napięcia wejściowe U1 oraz wyjściowe U2,
5) wyznaczyć charakterystykę U2 = f(U1),
6) wykonać analizę charakterystyki i opisać właściwości stabilizatora.
− płytka uniwersalna,
− stabilizator UL7815,
− zasilacz DC 0÷30 V, Imax =1 A,
− kondensatory 1000 µF,
− zestaw narzędzi (lutownica, topnik, lutowie, szczypce płaskie, obcinaczki boczne,
zaciskarka do końcówek, wkrętaki, itp.),
− stanowisko do ćwiczeń wyposaŜone w gniazdo zasilające (zabezpieczone nadprądowo
ok. 10 A oraz z zabezpieczeniem róŜnicowoprądowym),
− woltomierz DC.
7815
V2V1
ZASILACZ
DC
0÷30V

43
Czy potrafisz:
Tak Nie
1) rozpoznać elementy i układy elektroniczne?
2) budować proste układy sterowania silników indukcyjnych?
3) weryfikować prawidłowość funkcjonowania elementów i układów
elektronicznych?
4) bezpiecznie eksploatować proste układy energoelektroniczne?

44
4.4. Eksploatacja i naprawa urządzeń elektrycznych
Zapewnienie ciągłości zasilania w energię elektryczną wszystkich mechanizmów statku jest
niezbędnym warunkiem prawidłowej i bezpiecznej pracy powiązanych ze sobą systemów
i urządzeń. System energetyczny, zasilając w energię elektryczną maszyny, ma decydujące
znaczenie dla zapewnienia bezpieczeństwa pracy systemu nawigacyjnego i ładunkowego oraz
pozostałych podsystemów systemu energetycznego, takich jak napęd główny statku, instalacje
pomocnicze, chłodnia i klimatyzacja
W celu zapewnienia ciągłości zasilania oraz odpowiednich parametrów energii system
energetyczny podlega automatyzacji – wprowadza się systemy komputerowe, które kontrolują
i sterują systemem okrętowym.
Do podstawowych funkcji systemu elektroenergetycznego (SE) (rys. 30) zalicza się:
wytwarzanie energii elektrycznej; rozdział tej energii; jej przesyłanie i odbiór. W celu
realizacji poszczególnych funkcji w skład systemu elektroenergetycznego wchodzą
następujące urządzenia:
a) zespoły prądotwórcze do wytwarzania energii elektrycznej o określonym napięciu,
które z kolei dzielą się na:
− podstawowe źródła energii elektrycznej, pojedyncze zespoły łączące w sobie ścisłą
współpracę dwóch urządzeń: prądnicy G i napędu M, gdzie napędem prądnicy moŜe
być wysokopręŜny silnik spalinowy, wał silnika głównego w wypadku prądnicy
wałowej, turbina parowa lub gazowa,
− awaryjne źródło energii elektrycznej; w rozwiązaniach systemu elektro-
energetycznego – zwykle dodatkowy zespół awaryjny o napędzie spalinowym,
b) rozdzielnice energii, gdzie odbywa się rozdział energii, które dzielą się na:
− główną tablicę rozdzielczą (GTR) – rozdzielnicę zasilaną bezpośrednio przez
podstawowe źródła energii elektrycznej i przeznaczoną do rozdziału energii do
rozdzielnic grupowych oraz największych odbiorników energii elektrycznej statku,
− rozdzielnice grupowe (RG) – rozdzielnice zasilane z GTR i przeznaczone do
pośredniego rozdziału energii dla grupy urządzeń, umiejscowionych w określonych
miejscach statku,
− awaryjną tablicę rozdzielczą (ATR) – rozdzielnicę zasilaną – w razie zaniku napięcia
na szynach zbiorczych rozdzielnicy głównej – bezpośrednio z awaryjnego źródła
energii elektrycznej i przeznaczoną do rozdziału energii do odbiorników
najwaŜniejszych z punktu widzenia bezpieczeństwa statku podczas awarii,
c) sieć elektroenergetyczna do przesyłania energii – instalacje kablowe zasilające i łączące
poszczególne rozdzielnice: główną, grupowe i awaryjną z urządzeniami oraz
odbiornikami energii,
d) urządzenia i odbiorniki energii elektrycznej Q – silniki elektryczne, oświetlenie, itp.
Schemat systemu elektroenergetycznego z podziałem funkcyjnym przedstawia rysunek 31.

9

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to 9

Similar to 9 (20)

More from Emotka

More from Emotka (20)

9