Silniki indukcyjne

Spis treści

 

      1. Rodzaje silników indukcyjnych

      Ze względu na sposób wykonania obwodów elektrycznych wirnika i stojana, liczbę faz sieci zasilającej oraz zakres parametrów znamionowych, silniki indukcyjne można podzielić na:
      1) silniki synchroniczne,
      2) silniki indukcyjne (asynchroniczne):
          a) o wirniku klatkowym,
          b) o wirniku pierścieniowym,
      3) silniki komutatorowe:
          a) jednofazowe,
          b) trójfazowe,
      4) silniki specjalne (np. liniowe).

      1.1. Silniki synchroniczne trójfazowe o mocach od kilku kW do kilku MW i stałej prędkości obrotowej w granicach 500÷1500 obr./min (wyjątkowo 3000 obr./min), niezależnej od obciążenia i napięcia zasilającego, stosowane są rzadko - głównie w napędach o specjalnej charakterystyce, takich jak: pompy, wentylatory i kompresory. Jako maszyny synchroniczne znajdują zastosowanie jako generatory elektroenergetyczne.

      Głównymi elementami silników synchronicznych są:
      — stojan z uzwojeniem trójfazowym,
      — wirnik jawnobiegunowy lub cylindryczny z uzwojeniem wzbudzania oraz z klatką rozruchową.

      1.2. Silniki indukcyjne (asynchroniczne) są powszechnie stosowane do napędu urządzeń o nieregulowanej prędkości obrotowej. Występują najczęściej jako silniki o wirnikach klatkowych (zwartych), o mocy od kilku watów do kilkuset kilowatów, na napięcie znamionowe od 0,4 do 6 kV.

      Zasadniczymi elementami silnika klatkowego są:
      1) stojan z umieszczonym wewnątrz pakietem blach krzemowych i uzwojeniem usytuowanym w żłobkach,
      2) wirnik, stanowiący pakiet blach, z uzwojeniem w postaci klatki (pręty i pierścienie z aluminium).

      Silniki z wirnikami uzwojonymi, zwane silnikami pierścieniowymi są budowane w zakresie mocy od około 2 kW do kilku MW przy takich samych napięciach zasilania. Silnik pierścieniowy różni się tym od silnika klatkowego, że w żłobkach wirnika posiada trójfazowe uzwojenie, których końce są zwarte, a początki wyprowadzone i przyłączone do pierścieni ślizgowych, usytuowanych na wale wirnika. Na pierścieniach umieszczone są szczotki, które umożliwiają połączenie obracającego się uzwojenia wirnika z rozrusznikiem lub regulatorem prędkości obrotowej. W silnikach pierścieniowych, które przeznaczone są do pracy bez regulacji prędkości obrotowej, wbudowane są urządzenia do zwierania pierścieni i unoszenia szczotek.

      Silniki o wirniku pierścieniowym mają, w odróżnieniu od silników o wirniku klatkowym, mniejszy prąd rozruchowy i możliwość regulacji prędkości obrotowej. Są one jednak bardziej kłopotliwe w eksploatacji oraz droższe.

     1.3. Rodzaje silników trójfazowych

      Właściwości użytkowe silników indukcyjnych obrotowych zależą od rodzaju ich wirników. Z tego względu silniki indukcyjne trójfazowe można podzielić na silniki o wirniku:
      a} klatkowym:
          - zwykłym,
          - głębokożłobkowym,
          - dwuklatkowym,
      b) pierścieniowym.

▲ do góry

      2. Podstawowe parametry silników i prądnic trójfazowych:

      Po włączeniu silnika do sieci trójfazowej uzwojenie stojana wytwarza pole, którego prędkość wirowania zależy od liczby par biegunów. Jeżeli umieszczony wewnątrz stojana wirnik ma swobodę ruchu obrotowego, a jego uzwojenia są zwarte (bezpośrednio lub przez rezystancję), to na skutek działania pola wirującego na prądy indukowane w tych uzwojeniach powstaje moment obrotowy, powodujący ruch wirnika zgodnie z kierunkiem wirującego pola.

      Prędkość obrotowa wirnika powinna być o kilka procent niższa od prędkości synchronicznej pola. Współczynnik mocy cosφN i sprawność ηN zależą od stopnia jego obciążenia na wale.

      Do podstawowych parametrów silników i prądnic trójfazowych zalicza się:
      1) moc znamionową, w kW:

         - silnika:

PN = √3 UN IN ηN cosφN ∙ 10-3

         - prądnicy:

PN = √3 UN IN cosφN ∙ 10-3

      2) napięcie uzwojenia fazowego stojana, w V:

         - przy połączeniu w trójkąt:

Us= UN

         - przy połączeniu w gwiazdę:

      3) prąd uzwojenia fazowego stojana, w A:

         - przy połączeniu w trójkąt:

         - przy połączeniu w gwiazdę:

Ist = IN

▲ do góry

      3. Oznaczenia zacisków i końcówek uzwojeń

      Zgodnie z PN-EN 60034-8:2007 Maszyny elektryczne wirujące -- Część 8: Oznaczanie wyprowadzeń
      i kierunek wirowania, zaciski i końcówki uzwojeń oznacza się następująco:
      1) Uzwojenie fazowe stojana (pierwotne) oznacza się literami U, V, W oraz zacisk neutralny - N,
      2) Uzwojenie fazowe wirnika (wtórne) oznacza się literami K, L, M, zacisk neutralny - Q,
      3) Początki uzwojeń fazowych oraz połączone z nimi zaciski wyróżnia się cyfrą 1, np. U1, K1,
      4) Końce uzwojeń fazowych oraz połączone z nimi zaciski wyróżnia się cyfrą 2, np. V2, L2,
      5) Jeżeli w stojanie lub wirniku znajduje się k oddzielnych uzwojeń trójfazowych albo jedno
         uzwojenie trójfazowe, ale złożone z k oddzielnych pasm, których początki i końce są
         wyprowadzone na zewnątrz, to zaciski oraz końcówki należące do kolejnych uzwojeń fazowych lub
         kolejnych pasm wyróżnia się cyframi 1,2,,....,k zapisanymi przed symbolami litrowymi, np.
         a) 1U1, 1U2 - oznaczają odpowiednio początek oraz koniec pierwszego uzwojenia fazowego U w stojanie,
         b) 2L1, 2L2, - oznaczają odpowiednio początek oraz koniec drugiego uzwojenia fazowego L w wirniku.
      6) Zaczepy znajdujące się w uzwojeniach fazowych stojana lub wirnika, z wyprowadzonymi na
          zewnątrz końcówkami, wyróżnia się kolejnymi cyframi 3, 4, 5, ...np. U3 - pierwszy
          zaczep w uzwojeniu fazowym U stojana.
      7) Jeżeli uzwojenie pierwotne jest w wirniku, a uzwojenie wtórne w stojanie, to oznaczenia U,V,W,N
          stosuje się do wirnika, a oznaczenia K,L,M,Q - do stojana.

      Według PN-EN 60034-8:2005 oznaczenie końcówek lub zacisków uzwojenia stojana U1, V1, W1 i połączenie ich
      odpowiednio z przewodami liniowymi L1, L2, L3 sieci zasilającej powinno zapewnić obracanie się wirnika w prawo
      (zgodnym z ruchem wskazówek zegara), obserwowanym od strony czopa końcowego wału.

▲ do góry

      4. Stany pracy silników indukcyjnych

      4.1. Bieg jałowy silnika indukcyjnego

      Biegiem jałowym silnika indukcyjnego nazywa się taki stan pracy silnika, w którym:
      - uzwojenie stojana jest zasilane napięciem z sieci,
      - wirnik, nie obciążony żadnym momentem, wiruje z dużą prędkością zbliżoną do prędkości synchronicznej,
      - występują bardzo niewielkie wartości: poślizgu (ok. so = 0,001), częstotliwości w wirniku fs, oraz strat w stali wirnika,
      - w wirniku indukuje się siła elektromotoryczna SEM E2 o małej wartości i płynie bardzo mały prąd I2, stąd straty w uzwojeniu wirnika są pomijalnie małe,
      - moc oddawana przez silnik jest równa zero (wał silnika nie jest obciążony),
      - moc pobrana przez silnik Po w całości idzie na pokrycie strat w uzwojeniu stojana ∆Pcu0, w stali stojana ∆PFe0 i strat mechanicznych ∆Pm, stąd:

Po = ∆Pcu0 + ∆PFe0 +∆Pm

      Straty jałowe ∆Po (nie zależą od obciążenia), wynoszą:

P = Po - ∆Pcu0

      Prąd jałowy w maszynach indukcyjnych przy zasilaniu napięciem znamionowym wynosi:

Io = (025 - 0,5)IN

      współczynnik mocy przy biegu jałowym wynosi:

cosφo = 0,1 - 0,2

      Mały współczynnik mocy wskazuje, że silnik przy biegu jałowym pobiera z sieci niemal wyłącznie moc bierną indukcyjną, która powoduje zwiększenie strat zasilania i ogranicza pobór mocy z sieci zasilającej. W tej sytuacji należy stosować odpowiednie urządzenia kompensujące (np. baterie kondensatorów, kompensatory synchroniczne) oraz dopilnować, aby silniki indukcyjne nieobciążone były wyłączone z sieci.

      4.2. Stan zwarcia silnika indukcyjnego

      Stanem zwarcia silnika indukcyjnego nazywa się taki stan, w którym:
      - uzwojenie stojana jest zasilane napięciem z sieci,
      - obwód wirnika jest zwarty i wirnik jest nieuruchomiony, czyli: n = 0; s =1, prąd wirnika jest duży,
        może osiągnąć wartość (4 - 10)IN,
      - moc elektryczna pobierana przez silnik w stanie zwarcia jest w całości zamieniana na ciepło
        (moc mechaniczna nie jest wydawana, ponieważ wirnik się nie obraca).
      Ze względu na małe straty w rdzeniu można w przybliżeniu przyjąć, że całkowita moc pobrana Po
      jest przeznaczona na pokrycie strat obciążeniowych: w uzwojeniu stojana ∆Pcu1 i w uzwojeniu
      wirnika ∆Pcu2:

Po = ∆Pcu1 + ∆Pcu2

 

      Napięciem zwarcia u2 maszyny indukcyjnej nazywa się takie napięcie, jakie należy doprowadzić do uzwojenia jednej ze stron , np. stojana, aby przy zwarciu drugiej strony i unieruchomieniu wirnika popłynął prąd znamionowy po stronie zasilania.

      Napięcie zwarcia maszyn indukcyjnych podaje się w stosunku do napięcia znamionowego:

      Napięcie zwarcia maszyn indukcyjnych wynosi: 10 + 25% UN.

      Maszyna indukcyjna w stanie zwarcia, zasilana napięciem znamionowym, pobiera prąd zwarcia Iz = (4-10)IN (i odwrotnie, przy zasilaniu napięciem zwarcia - pobiera prąd znamionowy). Zależność między prądem zwarcia, prądem znamionowym IN i napięciem zwarcia uz% jest następująca:

      Stan zwarcia w silnikach klatkowych występuje przy każdym załączeniu silnika do sieci, jeżeli nie stosuje sie specjalnych urządzeń do obniżania napięcia. Prąd zwarcia w silnika pierścieniowych można zmniejszyć, zwiększając rezystancję obwodu uzwojeń wirnika.

      4.3. Stan obciążenia silnika indukcyjnego. Praca stabilna i niestabilna
      Stan obciążenia silnika indukcyjnego występuje wtedy, gdy gdy silnik jest sprzężony z maszyną napędzaną, przy jednoczesnym zasilaniu uzwojenia stojana napięciem sieci.
      W stanie obciążenia silnika indukcyjnego:
      - warunki zasilania obciążonego silnika są najczęściej niezmienne,
      - ustala się prędkość obrotową wirnika, przy jakiej występuje równowaga momentu wydawanego przez silnik M i momentu hamującego Mh,
      - przy każdej zmianie obciążenia moment wydawany przez silnik dostosowuje się do momentu hamującego,
      - zmienia się poślizg, prądy płynące w uzwojeniach, współczynnik mocy silnika, moc czynna pobierana oraz bilans mocy,
      - zmienia się moment wydawany przez silnik, aż do ponownego ustalenia się równowagi momentów: M = Mh.

      Właściwości maszyny indukcyjnej określają charakterystyki ruchowe, czyli zależności tych wielkości od momentu M (lub mocy P). Najczęściej podawaną charakterystyką ruchową silników indukcyjnych jest wykres M = f)(n) przy U1N = const i f1N = const, zwany też charakterystyką mechaniczną (Rys. 1).

      Właściwości ruchowe silników pracujących w stanie obciążenia wiążą się ze stabilnością lub niestabilnoścą pracy zespołu silnik-maszyna napędzana oraz ze stanami ustalonymi lub nieustalonymi, podczas których:
      - w stanie ustalonym - prędkość obrotowa n zespołu jest stała, a moment rozwijany przez silnik jest równy co do wartości, lecz przeciwnie skierowany do statycznego momentu obciążenia maszyny napędzanej,
      - w stanie nieustalonym - prędkość obrotowa się zmienia; nie zachodzi równowaga momentu rozwijanego przez silnik M i momentu hamującego Mh. Różnicę między tymi momentami:

MMh = Md

       nazywa się momentem dynamicznym Md.

       Jeżeli Md > 0 (czyli M > Mh ), to układ przyspiesza,
       Jeżeli Md < 0 (czyli M < Mh ), to układ zwalnia,

       Stany nieustalone w pracy maszyn wirujących występują najczęściej w czasie:
      - rozruchu,
      - regulacji prędkości obrotowej,
      - zmiany obciążenia,
      - zmian warunków zasilania,
      - zatrzymania się układu.

       Zależnie od właściwości układu silnik - maszyna napędzana mogą zaistnieć dwa zakresy pracy (Rys. 1):
      - praca stabilna, jeżeli po krótkim zakłóceniu pracy układ wraca do stanu równowagi,
      - praca niestabilna, jeżeli po krótkim zakłóceniu układ zatrzymuje się lub wykazuje tendencje do rozbiegania się.

 

Rys. 1. Zakresy pracy stabilnej i niestabilnej silnika indukcyjnego

      4.4. Zakres pracy stabilnej silnika indukcyjnego przy 0 < s < sk

      Przy założeniu, że silnik indukcyjny jest obciążony momentem hamującym Mh = const mniejszym od momentu rozruchowego Mr (w chwili rozruchu n = 0, s = 1), będzie zasilany napięciem sieci, to silnik zaczyna się obracać pod wpływem momentu dynamicznego Md. Moment Md nadaje przyspieszenie wirnikowi, stąd prędkość obrotowa wirnika wzrasta, a poślizg s się zmniejsza (Rys. 1).

      Przebieg pracy silnika indukcyjnego M = f(s) można opisać następująco:
      a) punkt pracy silnika przesuwa się po linii M = f(s), od punktu s = 1 w stronę poślizgów mniejszych,
          przechodząc przez punkt (Mk, sk);
      b) stan ustalony w punkcie A, linia M = f(s), przecina się z prostą Mh. Wtedy moment rozwijany przez silnik M = Mh ,
          a moment dynamiczny Md = M ‒ Mh = 0, prędkość obrotowa wirnika ustala się w punkcie A przy prędkości n1;
      c) stan ustalony w punkcie B, moment Mh wzrasta do wartości M'h, to wtedy M'h > M, czyli będzie większy
          od momentu wytworzonego w silniku; prędkość obrotowa silnika maleje, a poślizg rośnie. Punkt pracy
          przesuwa w stronę większych poślizgów, a więc moment wytworzony w silniku zrówna się z wytworzonym
          momentem hamującym i nastąpi nowy stan ustalony w punkcie B, przy sII i nII.

      4.5. Zakres pracy niestabilnej silnika przy sk < s < 1,

      Przy założeniu, że w punkcie C wystąpi chwilowy stan równowagi M = M'k, a wzrósłby moment hamujący Mh, to prędkość obrotowa silnika się zmniejsza, a punkt pracy silnika przesuwa się w stronę poślizgu s = 1.
      Następnie moment obrotowy wytworzony w silniku oraz prędkość obrotowa wirnika zmniejszają się, aż przy s = 1, silnik zostałby zahamowany.
      W innym przypadku, np. gdy przy wyjściu ze stanu równowagi w punkcie C moment hamujący zmniejszył się, to moment wytworzony w silniku będzie większy od momentu hamującego M > Mh , powodując przyspieszenie wirnika. Wówczas punkt pracy silnika przesunie się, przez punkt (Mk, sk ), w stronę mniejszych poślizgów, przy równoczesnym wzroście momentu obrotowego i prędkości obrotowej silnika. Nowy stan ustalony wystąpi w punkcie B.

      4.6. Przeciążalność silnika indukcyjnego

      Moment silnika jest proporcjonalny do kwadratu doprowadzonego napięcia; każde obniżenie napięcia w sieci spowoduje znaczne zmniejszenie momentu wytworzonego w silniku. Z tego względu punkt pracy znamionowej silnika musi znajdować się w zakresie pracy stabilnej dość daleko od momentu krytycznego, aby obniżone napięcie nie spowodowało zahamowania silnika.
      Najczęściej moment znamionowy MN silnika indukcyjnego jest co najmniej dwa razy mniejszy od jego momentu krytycznego Mk, czyli przeciążalność silnika można obliczyć ze wzoru:

      Przeciążalność u silnika - przyjmuje się wartość ok. 2,5. W silnika realizujących odpowiedzialne zadania, np. w silnikach dźwigowych, może przekraczać nawet 4,5.

▲ do góry

      5. Rozruch silników indukcyjnych

      Rozruchem silnika indukcyjnego nazywa się stan pracy od chwili włączenia napięcia do osiągnięcia ustalonej prędkości obrotowej, określonej parametrami zasilania (napięciem i częstotliwością) i obciążenia (momentem hamującym).

      Rozruch silnika indukcyjnego jest możliwy tylko wtedy, gdy moment wytworzony przez silnik M jest większy od momentu obciążenia Mh.
      Istotne dla rozruchu silnika indukcyjnego są:
      - prąd rozruchowy Ir,
      - moment rozruchowy Mr,
      - czas rozruchu.

      Wymagania co do ograniczenia zarówno prądu rozruchowego, jak i spadku napięcia w sieci, jak i przyrostów temperatury uzwojeń podczas rozruchu, a także zmniejszenia udaru mechanicznego w urządzeniu napędzanym łatwiej można spełnić, stosując silnik o wirniku pierścieniowym, niż silnik o wirniku klatkowym.

      5.1. Rozruch bezpośredni - silnik z wirnikiem klatkowym

      Praca silnika indukcyjnego podczas rozruchu ze zwartym uzwojeniem wirnika odpowiada stanowi zwarcia (Rys. 2).

 

Rys. 2. Schemat zastępczy silnika indukcyjnego w stanie zwarcia

 

      Na podstawie schematu zastępczego silnika indukcyjnego w stanie zwarcia (s = 1) można określić:
      - prąd rozruchowy Ir silnika indukcyjnego pobierany z sieci:

      - prąd znamionowy IN silnika indukcyjnego pracującego w warunkach znamionowych.

 


Rys. 3. Rozruch bezpośredni silnika o wirniku klatkowym

 

     Bezpośrednie włączenie do sieci na napięcie znamionowe jest najprostszym ale też najbardziej krytycznym stanem pracy silnika o wirniku klatkowym. Moment rozruchowy silnika jest niewielki, a występujące wielokrotne przekroczenie znamionowego prądu silnika w czasie rozruchu, jest przyczyną spadku napięcia w sieci (Rys. 3).

      Prąd pobierany podczas rozruchu silnika ze zwartym uzwojeniem wirnika jest kilkakrotnie większy od prądu znamionowego: Ir = 5 ÷ 8IN oraz Mr = 0,5 ÷ 1,5 MN

      Dopuszczalna moc trójfazowych silników indukcyjnych o wirniku klatkowym , włączanych bezpośrednio do sieci elektroenergetycznej:
      a) przy włączeniu bezpośrednim:
      - do sieci o napięciu 127 V - 2,2 kW,
      - do sieci o napięciu 230 V - 4 kW,
      - do sieci o napięciu 400 V - 5,5 kW,
      b) przy włączeniu za pomocą przełącznika gwiazda - trójkąt:
      - do sieci o napięciu 127 V - 6 kW,
      - do sieci o napięciu 230 V - 12 kW,
      - do sieci o napięciu 400 V - 15 kW.

      Dopuszczalna moc jednofazowego silnika indukcyjnego włączanego bezpośrednio w sieci:
      - o napięciu 127 V - wynosi 0,5 kW,
      - o napięciu 230 V - wynosi 1,5 kW.

      Dopuszcza się spadek napięcia w sieci w chwili rozruchu silnika o wirniku klatkowym:
      - 5% - jeśli z transformatora są zasilane również źródła światła,
      - 10% - jeżeli rozruchy są częste i ciężkie, a transformator nie zasila jednocześnie źródeł światła,
      - 15% - jeżeli rozruchy są sporadyczne i lekkie, a transformator nie zasila jednocześnie źródeł światła.

      5.2. Rozruch z przełącznikiem gwiazda-trójkąt

      Włączenie do sieci za pomocą przełącznika gwiazda-trójkąt może być stosowane tylko dla silników niskiego napięcia, w wykonaniu zgodnym z PN-EN 60034-12:2004, których uzwojenia fazowe stojana są połączone w trójkąt, przy napięciu znamionowym.

Rys. 4. Rozruch z przełącznikiem gwiazda-trójkąt

      Przełącznik gwiazda-trójkąt ustawia się w pozycji "gwiazda", łącząc uzwojenia fazowe stojana w gwiazdę (Rys. 4). Prąd pobierany z sieci i elektromagnetyczny moment obrotowy będą co najmniej 3 razy mniejsze niż przy połączeniu w trójkąt. Natomiast prąd w uzwojeniach fazowych zmniejsza sie do ok. 57% wartości występującej przy połączeniu w trójkąt.

      Gdy prędkość obrotowa w połączeniu w gwiazdę osiągnie wartość bliską znamionowej, może nastąpić przełączenie uzwojeń stojana w trójkąt.

 

      5.3. Rozruch silnika pierścieniowego

Rys. 5. Rozruch silnika pierścieniowego

      Rozruch silnika o wirniku pierścieniowym przeprowadza się za pomocą rozrusznika oporowego, włączonego w obwód uzwojenia wirnika (rys. 5). Zarówno silnik, jak i rozrusznik wyposażone są w styki pomocnicze blokady elektrycznej. Uniemożliwiają one włączenie silnika do sieci, jeśli przyrząd szczotkowy i pokrętło rozrusznika nie znajdują się w pozycji rozruchu początkowego.

      Przed uruchomieniem silnika pokrętło rozrusznika należy ustawić na maksymalną rezystancję, a następnie w czasie rozruchu stopniowo zmniejszać, aż do bezpośredniego zwarcia pierścieni. Poprzez zmianę rezystancji w obwodzie wirnika uzyskuje się możliwość płynnej zmiany obrotów, przy stosunkowo dużych stratach energii elektrycznej na rezystorze regulacyjnym. Dla ograniczenia strat stosuje się połączenie silnika z siecią za pomocą specjalnego układu elektronicznego, który powoduje, że część strat jest oddawana do sieci zasilającej.

      Podczas pracy silnika indukcyjnego może wystąpić zjawisko samorozruchu. Polega ono na tym, że w przypadku nawet krótkotrwałego zaniku napięcia lub znacznym jego obniżeniu, następuje zmniejszenie się prędkości obrotowej silnika - do zatrzymania włącznie. Jeżeli jednak czas trwania zaniku lub spadku napięcia jest krótszy od czasu potrzebnego do zatrzymania, to w określonych warunkach jest możliwe utrzymanie silnika w ruchu i , w miarę wzrostu napięcia, powrót do normalnego stanu pracy. .

      5.4. Rozruch za pomocą autotransformatora

      Autotransformatory stosowane do rozruchu silników indukcyjnych posiadają nastawialną przekładnie napięciową nu.
      Rozruch silnika (Rys. 6) rozpoczyna się od nastawienia wartości napięcia odpowiadającej przyjętemu nieprzekraczalnemu prądowi rozruchowemu, po czym:
      - zamyka się wyłączniki W1 i W3, wyłącznik W2 zostaje otwarty,
      - następnie stopniowo podwyższa się napięcie zasilające silnik do wartości znamionowej,
      - po ustaleniu się prędkości silnika otwiera się wyłącznik W3, zamykając wyłącznik W2.

      Zależności wielkości podstawowych charakteryzujących pracę silnika po rozruchu za pomocą autotransformatora o przekładni nu, są następujące:
      - napięcie zasilające silnik Ur jest niższe od napięcia sieci U,
      - moment rozruchowy Mr jest nu2 razy mniejszy od momentu przy pełnym napięciu,
      - prąd rozruchowy Ir jest nu razy mniejszy od prądu płynącego w uzwojeniach silnika,
      - prąd pobierany z sieci, płynący w uzwojeniach pierwotnych autotransformatora, jest nu2 razy mniejszy od prądu płynącego podczas rozruchu bezpośredniego.

 

Rys. 6. Schemat połączenia silnika z autotransformatorem rozruchowym

 

      Przy otwartych wyłącznikach W2 i W3 autotransformator rozruchowy AT jest włączony jako dławik szeregowy.

      Rozruch za pomocą autotransformatora stosuje się w zasadzie do silników o mocy większej niż 500 kW.

      5.5. Rozruch za pomocą rezystancji włączonej w obwód stojana

      Rozruch silnika indukcyjnego za pomocą rezystancji włączonej w obwód stojana stosuje się w celu zmniejszenia elektromagnetycznego momentu rozruchowego oraz ograniczenia prądu rozruchowego (Rys. 7). Włączenie rezystancji szeregowej powoduje obniżenie się napięcia podczas rozruchu. Ten sposób rozruchu, polegający na uzyskaniu niesymetrii układu napięć na zaciskach silnika, jest obecnie stosowany rzadko i tylko w silnikach małej mocy. W silnikach dużej mocy włącza sie w tym celu dławiki o odpowiednio dobranej reaktancji. Warunki rozruchowe za pomocą rezystancji włączonej w obwód stojana są mniej korzystne niż przy rozruchu za pomocą autotransformatora lub przełącznika gwiazda-trójkąt. Dodatkową rezystancję lub reaktancję zwiera się po osiągnięciu przez silnik stanu ustalonego przy obniżonym napięciu.

 

Rys . 7. Schemat połączeń silnika z dodatkowym rezystorem
rozruchowym Ra w jednym przewodzie fazowym

Oznaczenie:W2 - wyłącznik zwierający rezystor po rozruchu silnika

 

      W tablicy 1. przedstawiono porównanie podanych wyżej sposobów rozruchu trójfazowych silników indukcyjnych.

Tablica 1. Porównanie różnych sposobów rozruchu silników indukcyjnych


     5.6. Rozruch silników jednofazowych
      Pulsujące pole magnetyczne (wytwarzane przez prąd uzwojenia jednofazowego) można rozłożyć na dwie składowe, wirujące w przeciwnych kierunkach (Rys. 8). Zatem silnik jednofazowy może być traktowany jak dwa silniki wielofazowe pracujące na wspólnym wale, których strumienie wirują w kierunkach przeciwnych.
Moment rozruchowy takiego silnika Mrozr = 0.

 

Rys. 8. Rozruch silników jednofazowych

      Aby uzyskać moment rozruchowy silnika jednofazowego, konstrukcje tych silników wyposaża się w dodatkowe uzwojenia rozruchowe, połączone szeregowo z kondensatorami.

▲ do góry

      6. Regulacja prędkości obrotowej

      W praktycznych zastosowaniach, np. w napędach elektrycznych, wymaga się często regulacji prędkości obrotowej silnika indukcyjnego. Prędkość wirowania wirnika określa się według zależności:

n = n1 (1 - s)

      Prędkość obrotowa silnika indukcyjnego jest określona wzorem:

 

      W silnikach indukcyjnych możliwe są następujące sposoby regulacji prędkości obrotowej:

      6.1. Przez zmianę częstotliwości napięcia zasilającego.

      Regulacja przez zmianę częstotliwości napięcia zasilania umożliwia pracę silnika (Rys. 9) przy:
      - stałym momencie obrotowym, wtedy napięcie na zaciskach silnika należy zmieniać według zależności: Ucf,
        przy czym c - współczynnik proporcjonalności,
      - stałej mocy na wale; wówczas napięcie Ucf,
      - momencie obrotowym proporcjonalnym do kwadratu częstotliwości, wówczas napięcie Ucf,

      Ten sposób regulacji prędkości obrotowej polega na zmianie częstotliwości zasilania f1, która powoduje regulację prędkości wirowania pola magnetycznego oraz płynną lub skokową regulację prędkości wirowania wirnika. Przy tym sposobie regulacji wymaga się, aby zmiana częstotliwości napięcia zasilającego następowała przy stałej wartości strumienia magnetycznego. Dlatego regulując  częstotliwość f1, należy tak zmieniać wartość napięcia zasilającego, aby:

 

Rys. 9. Regulacja prędkości obrotowej silnika indukcyjnego przez zmianę częstotliwości i napięcia zasilającego

 

      6.2. Przez zmianę liczby par biegunów
      Regulacje prędkości obrotowej silnika indukcyjnego przez zmianę liczby par biegunów (Rys. 10) można osiągnąć stosując:
      - jedno uzwojenie, które można przełączać tak, aby wytwarzało pola o różnych liczbach biegunów, lub
      - dwa niezależne uzwojenia w stojanie o różnych liczbach par biegunów.

 

Rys. 10. Regulacja prędkości obrotowej przez zmianę liczby par biegunów

 

      Moment obrotowy w silniku indukcyjnym powstaje tylko w przypadku, gdy liczba biegunów w stojanie i wirniku jest taka sama. Oznacza to, że regulacja prędkości obrotowej przez zmianę liczby par biegunów może być stosowana tylko w silnikach klatkowych, ponieważ uzwojenie klatkowe wirnika samo dostosowuje się, pod względem liczby par biegunów, do liczby par biegunów uzwojenia stojana.
      W silnikach z wirnikiem pierścieniowym zmiana liczby par biegunów powinna nastąpić zarówno w stojanie, jak i wirniku. Dlatego w silniku z wirnikiem pierścieniowym, przy zmianie liczby par biegunów uzwojenia stojana, należałoby dokonać takiej samej zmiany liczby par biegunów uzwojenia wirnika. Zamiast dwóch dodatkowych uzwojeń w silniku z wirnikiem pierścieniowym korzystniejsze jest stosowanie jednego uzwojenia. które można przełączać w ten sposób, aby wytwarzało pola o różnych biegunach.
      W silnikach tych praktycznie nie jest możliwa płynna regulacja prędkości obrotowej, a jedynie uzyskanie dwóch, a najwyżej czterech różnych prędkości.
      Silniki, w których regulacje prędkości obrotowej dokonuje się przez zmianę liczby par biegunów, nazywa sie silnikami wielobiegowymi.

      6.3. Przez zmianę napięcia zasilającego:

      Regulacja przez zmianę napięcia zasilającego jest stosowana bardzo rzadko i tylko w silnikach małej mocy.
      Punkty oznaczone na krzywej momentu obciążenia Mobc (Rys. 11), są odpowiednio punktami pracy przy obniżonych napięciach Un - U3.
      Moment silnika M zmienia się proporcjonalnie do kwadratu napięcia, czyli

      Jest to więc krzywa graniczna, wyznaczająca dla Mobc = MN zakres regulacji prędkości obrotowej w granicach nk - nn,
      Oznacza to, że zakres regulacji prędkości obrotowej przez zmianę napięcia zasilającego wynosi niewiele ponad 10% poniżej prędkości znamionowej.

     
      Wadą tego sposobu regulacji prędkości obrotowej jest mały zakres regulacji; tym mniejszy im mniejsze jest obciążenie silnika, i duży spadek przeciążalności momentem.
      Oprócz tego, obniżeniu napięcia U1 przy stałej wartości momentu odpowiada wzrost prądów zarówno w obwodzie wirnika, jak i stojana, co powoduje niekorzystny wzrost strat w uzwojeniach.

 

Rys. 11. Regulacja prędkości obrotowej przez zmianę wartości napięcia zasilającego

 

      Prędkość obrotową silnika indukcyjnego można regulować także, stosując układy kaskadowe lub sprzężenie mechaniczne dwóch silników oraz zasilając je z sieci w ten sposób, że momenty obrotowe tych silników mają momenty przeciwne, czyli ich strumienie magnetyczne wirują w kierunkach przeciwnych.

      Obecnie stosowane są techniki półprzewodnikowe, przeznaczone do regulacji częstotliwości napięcia zasilającego.

      6.4. Zmiana kierunku wirowania wirnika silnika indukcyjnego polega na zmianie kierunku wirowania pola magnetycznego. Kierunek wirowania pola magnetycznego zależy natomiast od kolejności następstwa faz sieci trójfazowej zasilającej uzwojenie stojana silnika indukcyjnego.
      Zmianę kierunku wirowania wirnika silnika indukcyjnego uzyskuje się, zmieniając kolejność faz sieci zasilającej silnik. W praktyce, zmienia się kolejność przyłączenia dwóch dowolnych faz sieci zasilającej na tabliczce zaciskowej albo na wyłączniku silnika.

▲ do góry

     7. Praca hamulcowa silnika indukcyjnego

      Hamowanie silnikiem indukcyjnym występuje wówczas, gdy moment elektromagnetyczny silnika działa w kierunku przeciwnym do kierunku prędkości obrotowej.
      Dla silnika trójfazowego możemy zastosować jeden z trzech rodzajów hamowania:
      - hamowanie naturalne, zwane także hamowaniem przeciwwłączeniowym (przeciwprądem);
        występujące przy prędkości wirowania przeciwnej do kierunku wirowania pola magnetycznego;
      - hamowanie prądnicowe (ze zwrotem energii do sieci), zwane nadsynchronicznym; występuje
        przy prędkości wirnika większej od prędkości wirowania pola magnetycznego;
      - hamowanie dynamiczne, czyli hamowanie prądem stałym.
      Przy doborze każdego z rodzajów hamowania należy zwrócić uwagę na:
      - zakresy prędkości obrotowych oraz
      - charakterystykę mechaniczną silnika i urządzenia hamowanego.
      Energia hamowania, jaką pobiera silnik w formie energii mechanicznej, może być oddawana do sieci w postaci energii elektrycznej lub tracona w silniku i włączonych w obwód wirnika rezystorach.

      1) Hamowanie naturalne - ma miejsce wtedy, gdy wirnik wiruje w kierunku przeciwnym do kierunku wirowania pola magnetycznego. Stan taki ma miejsce wtedy, gdy moment M wytworzony w silniku będzie mniejszy od od momentu hamującego Mh wskutek włączenia dużej rezystancji w obwód wirnika (Rys. 12).

 

Rys. 12. Hamowanie przeciwwłączeniowe

 

      Zmiana pozycji przełącznika powoduje zmianę kolejności faz, a zatem zmianę kierunku wytwarzanego momentu.
      Aby uniknąć dużego prądu silnika, przed przełączeniem włączany jest dodatkowy rezystor w obwód wirnika, który dodatkowo pozwala na zwiększenie momentu hamującego

      2) Hamowanie prądnicowe ( hamowanie z odzyskiem energii) występuje przy prędkości wirnika większej od prędkości wirowania pola magnetycznego.
      Hamowanie prądnicowe może wystąpić np. przy opuszczaniu ciężaru w za pomocą silnika normalnie podnoszącego ciężar.
      Praktyczne zastosowanie tego rodzaju hamowania polega na zamianie w silniku indukcyjnym kierunku wirowania strumienia magnetycznego, przez zamianę
      dwóch przewodów zasilających przyłączonych do tabliczki zaciskowej silnika.
      Zamieniony kierunku wirowania strumienia magnetycznego powoduje również zmianę znaku momentu M wytworzonego w silniku i wtedy zależność M = f(n) ma przebieg jak na rys. 13.
      Moment jest równy zero, czyli maszyna wiruje synchronicznie przy prędkości ‒n1. Charakterystyki M = f(n) przecinają prostą Mobc (obrazującą obciążenie) w zakresie pracy prądnicowej
      przy prędkości nadsynchronicznej, ujemnej w stosunku do prędkości występujących przy podnoszeniu ciężaru.
      Włączając odpowiednie rezystancje w obwód wirnika, uzyskuje się odpowiednie prędkości obrotowe silnika.
      Przy hamowaniu z odzyskiem energii maszyna indukcyjna pracuje jako prądnica i przekazuje do sieci moc uzyskaną od napędzającego ją, opadającego ciężaru G (Rys. 14).
      Jest to zaleta hamowania z odzyskiem energii; jego wadą jest możliwość hamowania tylko przy dużych prędkościach obrotowych.

 

Rys. 13. Hamowanie z odzyskiem energii

 

      Opuszczanie ciężaru ze stałą prędkością (Rys. 14).
      - nh1 - silnik połączony dla p = 1
      - nh2 - silnik połączony dla p = 2

       MG = Gr

 

Rys. 14. Hamowanie z odzyskiem energii przy opuszczaniu ciężaru

     

      3) Hamowanie dynamiczne - jest to hamowanie prądem stałym

      Hamowanie dynamiczne polega na odłączeniu uzwojenia stojana od napięcia sieci zasilającej , z jednoczesnym przyłączeniem zasilania uzwojeń stojana z układu prądu stałego (Rys. 15), tak, aby wytworzyć w uzwojeniu wirnika stały strumień magnetyczny.
      W wirniku wirującym w tym stałym polu indukują się napięcia i płyną prądy, które wytwarzają moment skierowany przeciwnie do kierunku wirowania wirnika (Rys. 16). Wartość tego momentu można regulować
zmieniając wartość prądu stałego zasilającego stojan lub włączając odpowiednią rezystancję dodatkową Rn w uzwojenie wirnika.
      Przy stosowaniu hamowania dynamicznego nie można doprowadzić do całkowitego zahamowania urządzenia, gdyż przy spadku prędkości obrotowej wartość napięcia indukowanego w wirniku się zmniejsza.
      Energia mechaniczna zamienia się całkowicie na ciepło w wirniku i ewentualnie połączonej z nim szeregowo rezystancji.

 

Rys. 15. Hamowanie dynamiczne prądem stałym



Rys. 16. Charakterystyki naturalne hamowania dynamicznego

 

      Źródłem prądu stałego jest najczęściej odpowiedni układ prostowniczy, zasilany z sieci przez transformator Tr obniżający napięcie. Napięcie zasilające
wynosi tylko kilka procent napięcia znamionowego silnika. Moc pobierana przez silnik przy hamowaniu dynamicznym jest znacznie mniejsza niż przy hamowaniu przeciwprądem.

▲ do góry

      8. Zabezpieczenia silników indukcyjnych

      Silniki elektryczne wywierają istotny wpływ na sieć zasilającą, np. przetężenia prądowe przy rozruchu silników, spadki lub wahania napięć oraz znaczny pobór mocy biernej przez silniki przy biegu jałowym.

      Do podstawowych zabezpieczeń silników należą:
      a) zabezpieczenie zwarciowe,
      b) zabezpieczenie przeciążeniowe,
      c) zabezpieczenie od skutków obniżenia napięcia.

      Jako zabezpieczenie zwarciowe silników o napięciu nie przekraczającym 1 kV stosuje się bezpieczniki topikowe w trzech fazach lub wyzwalacze elektromagnetyczne trójfazowe.

      Dla silników o napięciu przekraczającym 1 kV rolę zabezpieczenia zwarciowego mogę spełniać bezpieczniki topikowe w 3 fazach w połączeniu z rozłącznikiem lub nadprądowe przekaźniki bezzwłoczne. Dla silników o mocy powyżej 2 MW i wyprowadzonych sześciu końcówkach stosuje się zabezpieczenie różnicowe wzdłużne w dwóch fazach. Silniki o mocy powyżej 1 MW wyposaża się w zabezpieczenie od zwarć doziemnych, zasilane z przekładnika Ferrantiego.

      Prąd nastawienia zabezpieczenia zwarciowego silnika powinien być jak najmniejszy — tak jednak, aby nie działać przy prądach szczytowych występujących w czasie normalnej pracy i przy rozruchu silnika.

      Prąd znamionowy wkładek bezpiecznikowych do zabezpieczenia silników prądu przemiennego dobiera się wg zależności:

Ibn > Ins

      w których:
      Irs — prąd rozruchowy silnika;
     Ins — prąd znamionowy silnika;
      kr — krotność prądu rozruchowego;
      α — współczynnik rozruchowy (w przeciętnych warunkach równy 2 dla wkładek o działaniu szybkim
             i 2,5 dla wkładek o działaniu zwłocznym).

      Wyzwalacze lub przekaźniki elektromagnetyczne stanowiące zabezpieczenie zwarciowe silnika nastawia się na prąd:

Iwe ≤ 1,2 ·Irsmax

      gdzie: Irsmax — największy prąd rozruchowy silnika.

      Jako zabezpieczenie przeciążeniowe silników o napięciu do 1 kV stosuje się wyzwalacze lub przekaźniki cieplne oraz czujniki temperatury. Dla silników o napięciu znamionowym ponad 1 kV stosuje się zabezpieczenie nadprądowe zwłoczne.

      Zabezpieczenia zwarciowe silnika powinny być stosowane w trzech fazach w układach trójfazowych, natomiast w układach prądu stałego w dwu lub jednym biegunie, jeżeli drugi jest uziemiony. Nie należy stosować zabezpieczeń zwarciowych w obwodach wzbudzenia.

      Każdy silnik powinien mieć zabezpieczenie zwarciowe oddzielne. Dopuszcza się zabezpieczenie zwarciowe wspólne dla grupy silników, tak dobrane, aby w przypadku zwarcia w jednym z silników zadziałało zabezpieczenie grupowe. Zabezpieczenia przeciążeniowe powinien posiadać każdy silnik za wyjątkiem:
      - silników o prądzie znamionowym mniejszym niż 4 A,
      - silników o mocy nie przekraczającej 10 kW dla pracy ciągłej, których przeciążenie jest mało
        prawdopodobne (pompy, wentylatory),
      - silników stanowiących zespół z transformatorem posiadającym własne zabezpieczenie,
      - silników do pracy przerywanej, których zabezpieczenie czujnikami temperatury nie jest
        gospodarczo uzasadnione.

      W układach trójfazowych z uziemionym punktem neutralnym zabezpieczenia przeciążeniowe stosuje się w 3 fazach, bez uziemionego punktu naturalnego w 2 fazach. Zabezpieczenia przeciążeniowe nastawia się na prąd nie większy niż 1,1 Ins.

      Zabezpieczenie od nadmiernego obniżenia się napięcia realizowane jest jako ponadnapięciowe zwłoczne jedno - lub dwufazowe. Zabezpieczenie to należy stosować, gdy:
      — obniżenie napięcia uniemożliwia pracę silnika,
      — niepożądany jest samorozruch silnika zwartego,
      — niedopuszczalny jest samorozruch silnika pierścieniowego,
      — wskazane jest odłączenie pewnej liczby mniej ważnych silników w celu zabezpieczenia
          samorozruchu innym silnikom.

      Układ dwóch przekaźników podnapięciowych, włączonych na napięcia międzyprzewodowe, jest stosowany do zabezpieczenia grupy silników lub silnika o dużej ważności z punktu widzenia procesu technologicznego. Układ z jednym przekaźnikiem podnapięciowym należy stosować do zabezpieczania pojedynczych silników o mniejszym znaczeniu.

▲ do góry

Menu serwisu