Maszyny indukcyjne

9.2 Maszyny indukcyjne

Spis treści

 

     1. Wiadomości ogólne

      Maszyny indukcyjne charakteryzują się prostą budową, dobrymi właściwościami ruchowymi i łatwością obsługi. Te cechy, oraz stosunkowo niewysoka cena, decydują o ich szerokim zastosowaniu w energetyce, budownictwie, rolnictwie, transporcie, gospodarce komunalnej oraz w przemysłowych procesach technologicznych.
      Na przykład jednofazowe silniki indukcyjne są powszechnie stosowane w urządzeniach gospodarstwa domowego, urządzeniach technologicznych małej mocy, rzemiośle oraz rolnictwie, a także w pomocniczych napędach przemysłowych.
      Wykorzystywanie elementów pólprzewodnikowych mocy w sterowaniu pracą silników prądu przemiennego pozwala na łagodne włączanie i hamowanie silników indukcyjnych, natomiast możliwość współpracy z systemami komputerowymi przyczynia się do stosowania nowoczesnych rozwiązań układów sterowania silnikami w układach napędowych o regulowanej i nieregulowanej prędkości obrotowej.
      Każda maszyna indukcyjna może pracować jako silnik lub jako prądnica. Znacznie szersze zastosowanie w gospodarce mają silniki indukcyjne stosowane najczęściej w energetyce, małych elektrowniach (wodnych) lub w agregatach prądotwórczych.

▲ do góry

      2. Podział maszyn indukcyjnych

      Maszyny indukcyjne (asynchroniczne) wirujące można dzieli się:
      1) ze względu na sposób wykonania obwodów elektrycznych wirnika:
         - maszyny o wirniku pierścieniowym z uzwojeniem symetrycznym wielofazowym, połączonym za pomocą
           pierścieni ślizgowych, np. z rozrusznikiem lub ze źródłem zasilania;
         - maszyny o wirniku klatkowym, w którym obwody elektryczne wielofazowe wykonane są z połączonych prętów
           oraz pierścieni odlewanych lub spawanych;
         - maszyny o wirniku pierścieniowo - klatkowym, z uzwojeniem fazowym przyłączonym do pierścieni ślizgowych
           oraz uzwojeniem klatkowym (stosowane jako silniki o mocy większej niż 1 MW).
      2) ze względu na zakres parametrów znamionowych:
          - niskiego napięcia - o mocy nie większej niż 300 kW;
          - wysokiego napięcia - o mocy nie mniejszej niż 160 kW;
          - o częstotliwości 50 - 60 Hz, lub o częstotliwości zwiększonej - np. 150 albo 400 Hz oraz
          - o częstotliwości do 3500 Hz - silniki do technologii wysokoobrotowej.
      3) ze względu na sposób zasilania:
          - maszyny indukcyjne jednofazowe - o mocy do 2 kW;
          - maszyny indukcyjne dwufazowe - stosowane jako silniki wykonawcze w grupie maszynowych
            elementów automatyki;
          - maszyny indukcyjne trójfazowe - najpowszechniej stosowane;
          - maszyny indukcyjne o liczbie faz większej niż 3, stosowane w wielofazowych układach
            przekształtnikowych.
      4) ze względu na rodzaj ruchu:
          - maszyny indukcyjne wirujące;
          - maszyny indukcyjne liniowe.

      5) ze względu na sposób przystosowania do warunków środowiskowych i napędowych, o określonym:
         - stopniu ochrony;
         - rodzaju wykonania;
         - układzie chłodzenia.

      Silniki indukcyjne o ruchu innym niż obrotowy stosowane są jako silniki: liniowe, oscylacyjne, wahadłowe, lub o stojanie innym niż cylindryczny, np. łukowym, do napędu pieców obrotowych w cementowniach.

▲ do góry

     3. Budowa maszyn indukcyjnych


Rys. 1. Silnik indukcyjny
Oznaczenia: 1 - stojan, 2 - wirnik, 3 - tabliczka zaciskowa, 4 - wał silnika, 5 - uzwojenie stojana,
Źródło - ABB motors

      Maszyna indukcyjna składa się z części nieruchomej w kształcie walca, zwanej stojanem, i części ruchomej zwanej wirnikiem, także w kształcie walca.
      Obwód magnetyczny tworzą rdzenie stojana i wirnika, wykonane w formie pakietu z blach odizolowanych od siebie o ok.0,5 mm (Rys. 2). Stojan i wirnik są oddzielone od siebie szczeliną powietrzną o grubości rzędu kilku dziesiątych mm w małych maszynach i od 1 do 3 mm w dużych (pow. 20 kW).
      Na całym obwodzie rdzenia stojana i wirnika wycina sie rowki o specjalnym kształcie, zwane żłobkami, w których umieszcza sie uzwojenia.
      Rdzeń stojana umieszcza sie w kadłubie maszyny, natomiast rdzeń wirnika - w maszynach małej mocy na wale, natomiast w maszynach o dużych mocach na piaście.
      Uzwojenie stojana silnika trójfazowego składa się z trzech oddzielnych uzwojeń zwanych fazami, które w czasie pracy są połączone w gwiazdę lub w trójkąt. W małych silnikach stosuje się w stojanie uzwojenia jednofazowe lub dwufazowe. Uzwojenia stojanów wykonuje się z izolowanego drutu nawojowego, dodatkowo impregnowanego i usztywnionego. Uzwojenia są odizolowane od rdzenia izolacją żłobkową, zabezpieczone przed wypadaniem ze żłobka za pomocą klinów.

      3.1. Rodzaje budowy wirników silników indukcyjnych
      W praktyce maszyny asynchroniczne stosowane są jako silniki.
      Silniki indukcyjne ze względu na rodzaj wirnika (Rys 3 i 4) dzieli się na:
      − klatkowe,
      − pierścieniowe.

      1) Uzwojenia wirnika klatkowego, mogą być wykonane z nieizolowanych prętów (miedzianych, aluminiowych, mosiężnych lub brązowych) o dużym przekroju, całkowicie wypełniających żłobek, połączonych po obu stronach wirnika pierścieniami zwierającymi (Rys. 2).
      Obwód magnetyczny wirnika wykonany jest w postaci pakietu blach stalowych z dodatkiem krzemu, wzajemne odizolowanych, złożonych jedna na drugą.
      Obwód elektryczny wirnika jest zawsze zwarty (stąd nazwa silnika). Klatka stanowi wielofazowe uzwojenie wirnika, o liczbie faz równej liczbie prętów, z których jest wykonana.


Rys. 2. Wirnik z uzwojeniem klatkowym maszyny indukcyjnej
a) przekrój wirnika klatkowego, b) uzwojenie klatkowe, wirnika
Oznaczenia: 1- pręty, 2 - pierścień zwierający czołowy

      2) Uzwojenie wirnika pierścieniowego jest wykonane, podobnie jak w stojanie, z drutu nawojowego. Jeżeli uzwojenie wirnika jest wykonane z drutu nawojowego, to istnieje możliwość przyłączenia do każdej fazy obwodu wirnika dodatkowej rezystancji. Aby było to możliwe, początki poszczególnych faz uzwojenie wirnika silnika pierścieniowego są przyłączone na stałe do pierścieni ślizgowych, osadzonymi na wale wirnika (Rys. 3). Końce poszczególnych faz uzwojenia wirnika są zwarte w wirniku.


Rys 3. Wirnik pierścieniowy

      3.2. Obwód magnetyczny silnika indukcyjnego
      Obwodem magnetycznym silnika indukcyjnego nazywa się zespół elementów wykonanych najczęściej z materiałów ferromagnetycznych, tworzących drogę zamkniętą dla strumienia magnetycznego, powstającego w wyniku działania źródła pola magnetycznego (Rys.4). Źródłem pola magnetycznego i wytworzonego zmiennego strumienia magnetycznego w silniku indukcyjnym jest uzwojenie, przez które przepływa prąd elektryczny przemienny.


Rys. 4. Obwód magnetyczny silnika indukcyjnego
a) Strumień magnetyczny cewki z prądem w ośrodku o μ = μo
b) Strumień magnetyczny cewki z prądem w rdzeniu stojana silnika o μFe>>μo
Oznaczenia: μo - przenikalność magnetyczna w próżni, μFe - przenikalność magnetyczna
w rdzeniu ferromagnetycznym, μδ - przenikalność magnetyczna w szczelinie powietrznej

 

            Trójfazowe uzwojenie stojana składa się z trzech cewek, przesuniętych względem siebie w przestrzeni o kąt 120° przy jednej parze biegunów: p = 1. Początki i końce cewek przyłączone są do tabliczki zaciskowej silnika, w sposób umożliwiający łączenie poszczególnych faz w gwiazdę lub trójkąt. Do tabliczki zaciskowej uzwojenie stojana przyłącza przewody fazowych sieci zasilającej L1,L2,L3.
      Po przyłączeniu do sieci, w trzech uzwojenia stojana, przesuniętych względem siebie o kąt 120°, płyną prądy fazowe sinusoidalne o wartości chwilowej i1, i2, i1, przesuniętych względem siebie w czasie o 1/3 okresu, co można wyrazić wzorami:

      Przebiegi tych prądów w czasie przedstawiono graficznie na rysunku 6.
      Prądy i1, i2, iwytwarzają w uzwojeniach poszczególnych faz stojana strumienie magnetyczne ΦL1 ,ΦL2, ΦL3 , czyli:

      gdzie: Φm - wartość maksymalna strumienia jednej cewki.
      W przestrzeni strumienie te zajmują położenie niezmienne w stosunku do nieruchomych cewek i są względem siebie przesunięte o kąt 120°. Dają one w każdej chwili strumień wypadkowy , równy sumie geometrycznej strumieni składowych, czyli

Φ = ΦL1 + ΦL2 + ΦL3

      Strumień wypadkowy ma wartość stałą, niezależną od czasu i wiruje w przestrzeni ze stałą prędkością kątową, zależną od częstotliwości prądu i liczby par biegunów maszyny.
     

 


Rys. 6. Powstawanie strumienia wirującego

      Jeżeli uzwojenie stojana jest zasilane napięciem trójfazowym, powstaje pole magnetyczne, pochodzące od uzwojenia stojana, wirujące z prędkością n. Prędkość ta zależy od częstotliwości f i liczby par biegunów p uzwojenia zgodnie z wzorem:

▲ do góry

      4. Zasada działania silnika indukcyjnego

      Oznaczanie podstawowych wielkości występujących w maszynie indukcyjnej przyjmuje się następująco:
      - wielkości odnoszące się do stojana oznacza się wskaźnikiem 1, np. U1, N1, f1, n1,
      - wielkości odnoszące się do wirnika oznacza się wskaźnikiem 2, np. U1, N1, f1,
      - wielkości opisujące bieg jałowy (bez obciążenia) - wskaźnikiem 0,
      - wielkości opisujące stan zwarcia - wskaźnikiem z.
      Prędkość n, z jaką wiruje wirnik, oznacza się bez żadnego wskaźnika.

Rys.7. Zasada działania silnika indukcyjnego

      Większość znajdujących się w użyciu maszyn indukcyjnych to maszyny trójfazowe. Maszyny te składają się z nieruchomego stojana, w którym umieszczone jest uzwojenie trójfazowe, zasilane z sieci elektroenergetycznej, oraz wirnika klatkowego lub pierścieniowego.
      Uzwojenie stojana zasilane napięciem trójfazowym wytwarza pole magnetyczne wirujące z prędkością obrotową strumienia magnetycznego ns.
      Jest to prędkość synchroniczna, która zależy od częstotliwości f i liczby par biegunów p uzwojenia, zgodnie ze wzorem:

      W polu wirującym stojana jest umieszczony wirnik z uzwojeniem. W czasie gdy wirnik jest jeszcze nieruchomy n = 0, pole wirujące stojana względem wirnika przecina pręty wirnika, indukując w nich siłę elektromotoryczną E20:

      gdzie:
      - E20 - siła elektromotoryczna indukowana w nieruchomym wirniku;
      - ku2 - współczynnik uzwojenia wirnika;
      - N2 - liczba zwojów uzwojenia wirnika;
      - f1 - częstotliwość napięcia zasilającego;
      - Φ - strumień główny (wirujący).

      Strumień wirujący indukuje również siłę elektromotoryczną E1 w uzwojeniu stojana:

      gdzie:
      - ku1 - współczynnik uzwojenia stojana,
      - N1 - liczba zwojów uzwojenia stojana.

      W zależności od rodzaju przetwarzanej energii każda maszyna elektryczna może pracować jako prądnica lub silnik (bez zasadniczych zmian konstrukcyjnych). Z tego względu rozróżnia się następujące rodzaje pracy maszyny indukcyjnej(Rys. 8):
      1) praca prądnicowa - przetwarzająca energię mechaniczną na elektryczną,
      2) praca silnikowa - przetwarzająca energię elektryczną na mechaniczną,
      3) przetwornice - przetwarzają energię elektryczną na taka samą energię, lecz o innych
          parametrach, np. przetwornice: częstotliwości, napięcia, prądu.

      Pod wpływem indukowanego w zamkniętym uzwojeniu wirnika napięcia E20 (SEM), popłynie w tym uzwojeniu prąd. Oddziaływanie pola magnetycznego na przewodnik z prądem powoduje powstanie momentu elektromagnetycznego M. Jeżeli wytworzony moment osiągnie wartość większą niż moment obciążenia (moment hamujący) Mh, pochodzący od napędzanej maszyny roboczej oraz tarcia, to wirnik zacznie sie obracać. Maszyna pracuje jako silnik przetwarzając pobraną z sieci energię elektryczną na energię mechaniczną. W stanie obciążenia silnika momentem znamionowym wirnik wiruje z prędkością mniejszą od prędkości synchronicznej.

      Przy prędkości wirowania wirnika n pole obraca się względnie wirnika z prędkością:

n2 = n1 - n

▲ do góry

      5. Rodzaje pracy maszyny indukcyjnej

Rys. 8. Rodzaje pracy maszyny indukcyjnej

      Wielkością charakterystyczną dla maszyn indukcyjnych jest poślizg s; jako stosunek prędkości pola względem wirnika do prędkości synchronicznej, czyli:

      Gdy wirnik silnika pozostaje nieruchomy, czyli n = 0,  to poślizg s =1, a gdy wirnik wiruje synchronicznie ze strumieniem z prędkością n = ns , to poślizg s = 0.
      Przeciętne wartości poślizgu przy obciążeniu znamionowym mieszczą się w granicach od 0,01 (dla dużych maszyn) do 0,1 (dla bardzo małych maszyn).

      Prędkość wirowania wirnika jest tym większa, im mniejszy jest poślizg:

n = n1 (1 - s)

 

      Moment obrotowy maszyn indukcyjnych
      Prądy w uzwojeniach oraz zależne od nich wielkości można wyrazić także za pomocą parametrów schematu zastępczego maszyny indukcyjnej (Rys. 9).
Przybliżone wartości rezystancji oraz reaktancji najczęściej wyznacza się w sposób pośredni, na podstawie wyników pomiaru prądów, napięć oraz mocy czynnej w wybranych stanach pracy, np. w stanie jałowym oraz w stanie zwarcia pomiarowego.


Rys. 9. Schemat zastępczy silnika indukcyjnego

      Moment obrotowy silnika indukcyjnego 3 fazowego można wyrazić przybliżoną zależnością:

      gdzie:
      M - moment obrotowy, w N.m;
     ns - synchroniczna prędkość obrotowa, w obr/min.

▲ do góry

      6. Podstawowe zależności między parametrami maszyn indukcyjnych

      1) Charakterystyka mechaniczna silnika indukcyjnego przedstawia zależność momentu M na wale silnika od jego prędkości obrotowej n.


Rys 10. Charakterystyka mechaniczna silnika indukcyjnego

      2) Charakterystykę mechaniczną silnika indukcyjnego można wyrazić za pomocą wzoru Klossa, określającym zależność momentu od poślizgu:

      gdzie:
      M - moment silnika indukcyjnego,
     Mk - moment krytyczny,
       s - poślizg,
       sk- poślizg krytyczny.

      3) Jeżeli moment obrotowy silnika indukcyjnego 3 fazowego wyraża sie zależnością:

      4) to moment maksymalny Mnax wyniesie:

      w tym poślizg krytyczny:

      Moment krytyczny Mk, jest to największa wartość momentu maksymalnego Mmax , jaki może być wytworzony w silniku.
      Moment krytyczny występuje przy poślizgu krytycznym sk,

      5) Elektromagnetyczny moment maszyny indukcyjnej wynosi:
          - dla pracy silnikowej:

          - dla pracy prądnicowej:

▲ do góry

      7. Zastosowanie maszyn indukcyjnych

      Szerokie zastosowanie maszyn indukcyjnych w przemysłowych procesach technologicznych i układach automatyki wiąże się przede wszystkim z ich prostą budową i łatwą obsługą oraz niewysoką ceną. Napędy elektryczne w gospodarce, przemyśle, energetyce, rolnictwie, transporcie i gospodarce komunalnej realizowane są za pomocą trójfazowych silników indukcyjnych. Natomiast jednofazowe silniki indukcyjne stosowane są powszechnie w urządzeniach gospodarstwa domowego, urządzeniach technologicznych małej mocy i w usługach.
      Silniki indukcyjne charakteryzują się dobrymi właściwościami ruchowymi. Np. przy wykorzystaniu elementów półprzewodnikowych w sterowaniu pracą silników można zapewnić ich łagodne włączanie i hamowanie.
      Maszyny indukcyjne stosuje się przede wszystkim jako silniki do napędu maszyn i urządzeń, zwłaszcza o nieregulowanej prędkości obrotowej. Coraz częściej są przydatne silniki o prędkości obrotowej regulowanej w sposób ciągły w szerokim zakresie, przystosowane do współpracy z układami przekształtnikowymi.
      Obecnie stosuje się maszyny indukcyjne jako prądnice obcowzbudne lub samowzbudne, głównie w lokalnych elektrowniach z jednostkami o mocy nawet do 2 MW. Ponadto maszyny indukcyjne wykorzystuje się jako przetwornice częstotliwości, a także, w stanie nieruchomym, jako regulatory napięcia, przesuwniki fazowe oraz dławiki o regulowanej reaktancji.

Menu serwisu