SILNIKI ELEKTRYCZNE PRĄDU PRZEMIENNEGO 1. Trójfazowy

SILNIKI ELEKTRYCZNE PRĄDU PRZEMIENNEGO 1. Trójfazowy

SILNIKI ELEKTRYCZNE PRĄDU PRZEMIENNEGO
Najpowszechniej stosowaną w napędach przemysłowych maszyną elektryczną jest silnik
indukcyjny zwany również asynchronicznym; ta druga nazwa pochodzi stąd, że silnik indukcyjny
jest głównym reprezentantem maszyn zwanych asynchronicznymi.
1. Trójfazowy silnik asynchroniczny
1. Konstrukcja
a)
b)
Rys.1. a) Zasada budowy silnika indukcyjnego: 1 - stojan, 2 – wirnik
b) Przykład wykroju blach stojana i wirnika: 1 – zęby, 2 - żłobki
Zasadę budowy silnika indukcyjnego ilustruje rys.1a. Część nieruchoma (stojan) ma kształt
wydrążonego wewnątrz walca. W wewnętrznej przestrzeni stojana znajduje się część wirująca
maszyny zwana wirnikiem, również w kształcie walca. Obwód magnetyczny stojana i wirnika jest
wykonany w postaci rdzenia z blachy stalowej z dodatkiem krzemu (tzw. blachy
elektrotechnicznej), zwykle grubości 0,5 mm; wirniki dużych maszyn indukcyjnych są wykonane z
blach o grubości 1-2 mm. Szczelina powietrzna między stojanem i wirnikiem ma w małych
maszynach wymiar od 0,1 do 0,5 mm, w dużych (powyżej 20 kW) od 1 do 3 mm. Na wewnętrznej
stronie rdzenia stojana i zewnętrznej stronie rdzenia wirnika są wykonane na całej długości
maszyny specjalnego kształtu rowki zwane żłobkami, w których umieszczone są uzwojenia.
Elementy obwodu magnetycznego między żłobkami noszą nazwę zębów. Żłobki i zęby mogą mieć
różne kształty, jedną z form ilustruje rys. 1b.
Najczęściej stosowane są silniki indukcyjne trójfazowe. Silnik taki ma na stojanie
uzwojenie trójfazowe. Fazy uzwojenia w czasie pracy są skojarzone w gwiazdę lub trójkąt.
Uzwojenie stojana, wykonane z drutu nawojowego (izolowanego), jest zwykle
impregnowane i mocno usztywnione, by na skutek drgań silnika nie uległo uszkodzeniu. Przez
impregnację zwiększa się rezystancja izolacji i ulegają poprawie warunki odprowadzania ciepła
wydzielanego w uzwojeniu.
a)
b)
Z U
X V
c)
YW
Z
X
Y
U
V
W
R
S
T
Z
X
V
U
R
Y
S
Rys.2. Uzwojenie stojana: a) rozmieszczenie uzwojenia, b) tabliczka zaciskowa przy połączeniu w ∧ ,
c) tabliczka zaciskowa przy połączeniu w ∆
W
T
Uzwojenie wirnika silnika indukcyjnego może być wykonane, podobnie jak stojana, z
drutu nawojowego albo może mieć kształt nieizolowanych prętów, umieszczonych w żłobkach i
połączonych ze sobą po obu stronach wirnika.
Do obwodu uzwojenia wirnika można przyłączyć dodatkowe elementy, zwiększające
rezystancję każdej fazy. Do tego celu służą umieszczone na wale wirnika tzw. pierścienie ślizgowe,
do których przylegają szczotki, połączone z dodatkowymi zewnętrznymi elementami. Taką zmianę
rezystancji obwodu elektrycznego wirnika stosuje się dla dokonania rozruchu, regulacji prędkości
lub hamowania silnika.
Ze względu na to, że charakterystycznym elementem omawianego typu silnika są
pierścienie ślizgowe, nazywa się go silnikiem indukcyjnym pierścieniowym. Z reguły silnik ma
trzy pierścienie, gdyż uzwojenie wirnika jest najczęściej trójfazowe, połączone w gwiazdę;
niekiedy stosowane jest uzwojenie dwufazowe, ale równiez z trzema wyprowadzonymi końcami, a
więc i w tym przypadku silnik ma trzy pierścienie ślizgowe. Schemat obwodów elektrycznych
silnika pierścieniowego z dodatkowymi elementami rezystancyjnymi ilustruje rys. 3a.
Często wirnik wyposażony jest w urządznie do podnoszenia szczotek umożliwiające
zwieranie pierścieni po zakończeniu rozruchu, przy czy szczotki zostają podniesione, a maszyna
pracuje jak silnik z wirnikiem klatkowym.
Rys. 3.
Schematy obwodów elektrycznych silników indukcyjnych: a) silnika pierścieniowego, b) silnika klatkowego
1
- pierścienie ślizgowe, 2 - szczotki, 3 - rezystancje przyłączone do obwodu wirnika
Jeżeli obwód elektryczny wirnika jest wykonany z nieizolowanych prętów, to pręty te są
połączone po obu stronach wirnika pierścieniami zwierającymi. Tym samym obwód wirnika jest
zawsze zwarty, a zatem żadnych dodatkowych elementów przyłączać do niego nie można (rys. 3b).
Silnik taki nosi nazwę silnika indukcyjnego zwartego, nazywany bywa też klatkowym ze
względu na to, że pręty wirnika połączone pierścieniami tworzą jak gdyby klatkę.
Pręty wirnika są najczęściej odlewane z aluminium, łącznie z pierścieniami zwierającymi i
skrzydełkami wentylatora. Zadaniem wentylatora jest spowodowanie intensywnego przepływu
powietrza chłodzącego silnik, a jednocześnie, przez zwiększenie powierzchni chłodzenia,
ułatwienie oddawania do otoczenia ciepła, które wydziela się w prętach i pierścieniach wirnika.
2. Zasada działania silnika pierścieniowego
Pole wirujące stojana
a)
b)
y
y
ΒR(t) ∈ ΒA(t)
U
iA(t)
t = t1
ω
Β
X
1200
Y
1200
1y
x
V
Rys.3.
1x
Β
Β B(t)
Z
iC(t)
0
iB(t)
1200
ΒC(t)
x
t = t 2 > t1
W
Pole magnetyczne wirujące w stojanie silnika trójfazowego: a) trzy cewki w układzie symetrycznym zasilane
symetrycznym prądem trójfazowym, b) wykres wektorowy indukcji pola magnetycznego
Dla symetrycznego układu trzech cewek, zasilonych prądem trójfazowym symetrycznym mamy:
(
)
(
)}
B A (t ) = Bm sinωt , BB (t ) = Bm sin ωt − 120 0 , BC (t ) = Bm sin ωt − 240 0 .
B = B A + B B + B C = x1x + y1y .
Składowe skalarne x oraz y tego wektora wypadkowego są następujące:

3
[BB (t )− BC (t )],

2

1
0
0
0
y = B A (t )cos 0 + BB (t )cos120 + BC (t )cos 240 = B A (t ) − [BB (t )− BC (t )]. 
2

x = B A (t )cos 90 0 + BB (t )cos 30 0 + BC (t )cos150 0 =
x=−
3
Bm cosωt ,
2
B =
y=
x2 + y2 =

3
Bm sinωt.
2

3
Bm
2
Zatem w każdej chwili czasu t współrzędne wektora wypadkowego indukcji magnetycznej
spełniają równanie okręgu
3

x + y =  Bm 
2

2
2
2
Wypadkowe pole magnetyczne układu trzech cewek, rozmieszczonych w przestrzeni jedna
względem drugiej o kąt 1200 i zasilanych symetrycznym prądem trójfazowym, jest polem
wirującym kołowym, którego wektor indukcji o amplitudzie 3 2 Bm wiruje z prędkością
kątową ω.
Prędkość obrotowa pola wirującego, tzw. prędkość synchroniczna, zależy zatem od częstotliwości
prądu w stojanie f1 = ω i liczby par biegunów uzwojenia stojana p
2π
60 f1
ns =
obr/min .
p
Oddziaływanie pola z wirnikiem
Wirujące pole magnetyczne indukuje w uzwojeniu wirnika siłę elektromotoryczną: E2 = B l v
(v jest względną prędkością ruchu przewodu względem strumienia magnetycznego), która
powoduje przepływ prądu w wirniku. W skutek wzajemnego oddziaływania między tym prądem a
wirującym polem magnetycznym powstaje siła mechaniczna F = B l I2. Na każdą parę przewodów
z prądem działa para sił F, tworząca moment obrotowy, starający się obrócić wirnik w kierunku
wirowania pola magnetycznego. Moment ten jest różny od zera aż do chwili, w której prędkość
obrotowa wirnika zrówna się z prędkością synchroniczną. Wtedy prędkość względna v=0 i
przestają płynąć prądy indukowane w uzwojeniu wirnika. Aby zatem na wirnik działał moment
obrotowy, musi się on obracać z prędkością mniejszą od synchronicznej, czyli asynchronicznie.
Różnicę między prędkością obrotową pola wirującego a prędkością n wirnika, odniesioną do
prędkości synchronicznej ns, nazywa się poślizgiem silnika asynchronicznego
n −n
s= s
.
ns
Pole magnetyczne stojana indukuje siły elektromotoryczne o częstotliwości f1:
− w uzwojeniu stojana:
E1 = 4.44 f1 z1k u1 Φ m
− w nieruchomym uzwojeniu winika:
E20 = 4.44 f1 z 2 k u 2 Φ m
Napięcie indukowane uzwojeniu winika przy niezerowej prędkości obrotowej n ma postać:
E2 = 4.44 f 2 z 2 k u 2 Φ m ,
gdzie: z1 i z2 są liczbami zwojów stojana i wirnika, a ku1 i ku2 są współczynnikami uzwojenia fazy stojana i wirnika.
Częstotliwość napięcia indukowanego w uzwojeniach poruszającego się wirnika zależy od
prędkości wirowania pola względem wirnika:
p(ns − n )
.
60
Uwzględniając definicję prędkości synchronicznej mamy:
f 2 = s f1 .
Dla zatrzymanego wirnika (n=0) częstotliwości te są sobie równe: f2 = f1.
f2 =
Stosunek napięć:
E1
E2
=
z1k u1
=ϑ
z 2 ku 2
nosi nazwę przekładni napięciowej.
Uwaga:
Suma prędkości wirnika i prędkości pola wytwarzanego przez prąd wirnika jest stała i równa ns.
Oznacza to, że pole magnetyczne wytworzone przez prąd stojana i wirnika są względem siebie
nieruchome. Jest to potwierdzenie ogólnej zasady odnoszącej się do wszystkich maszyn
elektrycznych: w stanach stalonych pola względem siebie nie wirują.
Z definicji poślizgu można wyznaczyć zależność prędkości obrotowej od poślizgu:
n = ns (1 − s )
i określić pięć stanów pracy maszyny indukcyjnej (rys. 4)
n
n>
ns
ns
n<
ns
s
Praca
prądnicowa
Postój
(bieg jałowy)
Synchronizm
s<0
(zwarcie)
1
0
n<
0
0<s<1
s>1
Praca
silnikowa
Hamowanie
przeciwprądowe
Rys.4. Zakresy pracy maszyny asynchronicznej
W całym zakresie prędkości maszyny indukcyjnej istnieją dwa szczególne stany pracy: gdy
n=0 (s = l) i gdy n=ns (s = 0).
Jeżeli wirnik jest nieruchomy (n = 0), to przy otwartym obwodzie wirnika mamy stan
podobny do stanu jałowego w transformatorze, natomiast przy zwartym wirniku jest to stan
analogiczny do stanu zwarcia. Ponieważ n = 0, więc moc mechaniczna nie występuje, a energia
pobrana z sieci zamienia się całkowicie na ciepło w obwodzie elektrycznym i magnetycznym
maszyny.
Przy prędkości wirnika równej prędkości synchronicznej (n = ns) w wirniku nie indukuje się
napięcie, bo jego obwód elektryczny nie przecina linii pola. Nie ma więc w obwodzie wirnika
prądu, a więc nie ma momentu obrotowego. Aby wirnik obracał się z prędkością synchroniczną,
musiałby być napędzany mocą potrzebną do pokrycia strat mechanicznych. Z sieci pobierana jest
moc elektryczna, która wydziela się jako ciepło w obwodzie elektrycznym i magnetycznym
stojana; wirnik nie jest przemagnesowywany. Prąd pobierany z sieci ma dużą składową bierną
(prąd magnesujący Iµ ) dla wytworzenia strumienia, natomiast składowa czynna przy n = ns jest
mała, gdyż straty są małe. Maszyna jest więc przy n = ns odbiornikiem tego typu, co dławik lub
transformator w stanie jałowym.
Przy prędkości O < n < ns, czyli przy poślizgu l > s > 0, maszyna indukcyjna jest silnikiem.
Moc pobrana z sieci jest częściowo tracona na ciepło w miedzi i w stali, znaczna jej część jest
zamieniana na moc mechaniczną. Jest to najczęstszy stan pracy maszyny indukcyjnej.
W czasie pracy maszyny indukcyjnej, połączonej z inną maszyną elektryczną lub
odpowiednimi urządzeniami może się zdarzyć, że prędkość wirnika będzie większa od prędkości
pola magnetycznego. Wówczas pręty przecinają pole w odwrotnym kierunku niż przy pracy
si1nikowej, zmienia się zwrot napięcia i prądu, zmienia się też kierunek momentu, który działa
teraz w stronę przeciwną do kierunku wirowania. Wynika stąd, te maszyna musi być napędzana,
czyli musi pobrać na wale moc mechaniczną. Moc tę częściowo traci się na straty w miedzi i stali,
a częściowo jest w postaci mocy elektrycznej oddawana do sieci. Maszyna indukcyjna jest więc
przy n > ns (s < 0) prądnicą. Maszyna ta oddaje do sieci moc czynną elektryczną, ale musi pobrać z
tej sieci moc bierną (prąd magnesujący) do wytworzenia strumienia magnetycznego.
Gdyby wirnik maszyny włączonej do sieci był obracany w kierunku przeciwnym do
kierunku wirowania pola magnetycznego, to pręty wirnika byłyby przecinane przez pole z
prędkością większą od prędkości synchronicznej. Napięcie indukowane w wirniku byłoby większe
od E20, częstotliwość tego napięcia większa od f1 (n < 0 , s > l). Aby wirnik obracał się w kierunku
przeciwnym do kierunku wirowania pola, w kierunku wirowania wirnika musi działać moment
zewnętrzny. Maszyna pobiera zatem moc mechaniczną na wale i cała ta moc łącznie z mocą
elektryczną pobieraną z sieci jest w maszynie zamieniana na ciepło. Ponieważ moment maszyny
działa w kierunku wirowania pola, a więc w kiernku przeciwnym do momentu zewnętrznego,
maszyna jest hamulcem elektrycznym.
Maszyna indukcyjna wytwarza moment hamujący wówczas, gdy jest on skierowany
przeciwnie do kierunku jej wirowania, a zachodzi to przy pracy hamulcowej i prądnicowej. Przy
pracy prądnicowej zmienia się faza napięcia E2, stąd może ono być w tym zakresie pracy
traktowane jako ujemne.
Schemat zastępczy i wykres wektorowy.
Jeżeli X 2 = 2πf 2 L2 oznacza indukcyjność wirującego wirnika, a X 20 = 2πf1 L2 indukcyjność
nieruchomego wirnika, mamy
X 2 = sX 20
Reaktancja wirnika zmienia się zatem razem z poślizgiem, więc zależnie od obciążenia silnika.
Schemat zastępczy dla jednej fazy silnika z uwzględnieniem rezystancji i reaktancji
dodatkowej w obwodzie wirnika przedstawiono na rys. 5a.
Prąd płynący w uzwojeniu wirnika:
I2 =
E 20 s
( R2 + Rd ) + ( X 20 s + X d s )
2
2
=
E20
2
 R2 + Rd 
2

 + ( X 20 + X d )
s


zależy od poślizgu. Z ostatniej zależności wynika, że poślizg wpływa tylko na wartość (R2 +Rd),
natomiast E20 i (X2 + Xd) są stałe, tak jak dla wirnika nieruchomego. Można zatem narysować
schemat zastępczy, w którym częstotliwość w obwodzie wirnika jest równa tej w stojanie (rys. 5b).
R + Rd
Rezystancję rzeczywistą 2
można przedstawić jako rezystancję rzeczywistą uzwojenia
s
wirnika R2, rezystancję rzeczywistą dodatkową Rd oraz "rezystancję obciążenia" Robc zależną od
poślizgu:
R2 + Rd
= R2 + Rd + Robc
s
Stąd otrzymuje się:
1− s
Robc =
( R2 + Rd )
s
Wartość tej "rezystancji obciążenia" zmienia się od zera dla s =1 (stan zwarcia) do nieskończoności
dla s = 0 (idealny bieg jałowy). Wtedy schemat zastępczy silnika asynchronicznego przedstawia się
tak jak na rys. 5c.
Rys.5. Schemat zastępczy silnika indukcyjnego pierścieniowego:
a) schemat rzeczywisty b) jednakowa częstotliwość, c) wydzielona rezystancja obciążenia,
d) sprowadzenie wielkości obwodu wirnika na stronę stojana
Dla wyrażenia wielkości elektrycznych strony stojana i wirnika w tej samej skali sprowadza
się wielkości elektryczne wirnika na stronę stojana tak, jak dla transfomatora uwzględniając
przekładnię napięciową ϑ:
m I
I '2 = 1 2
E ' 20 = E20 ϑ ,
m2 ϑ
oraz
( R ' 2 + R ' d ) = ( R2 + Rd )ϑ 2
m1
m2
( X ' 20 + X ' d ) = ( X 20 + X d )ϑ 2
gdzie m1 jest liczbą faz stojana, a m2 liczbą faz wirnika.
Sprowadzony schemat zastępczy przedstawiono na rys. 5d.
m1
m2
Wykres wskazowy odpowiadający uzyskanemu schematowi przedstawiony jest na rys. 6.
Spadki napięć R1I1, jX1I1, R’2I’2, jX’20I’2, ze względu na czytelność wykresu są narysowane
przesadnie duże. W układzie rzeczywistym spadki te są o wiele mniejsze.
Rys.6. Wykres wskazowy silnika indukcyjnego pierścieniowego
Bilans mocy, sprawność silnika
P1 = 3 U 1 I1 cos ϕ1
Rys. 7. Wykres strumieniowy rozpływu mocy silnika indukcyjnego
η=
Puz
P1
Moment obrotowy
P2 = 3 U 2 I 2 cos ϕ 2 = Mω s
Charakterystyka mechaniczna:
2
M = c U1 f
R2 + Rd
s
,
2
R
R
+
 2
2
d 
 + ( X 20 + X d )

s


c=
gdzie:
3
ω sϑ 2
.
M
ć
na
ęś
cz tecz
st a
nie
częś
state ć
czna
Mk
Mr
-1
s
-sk
sk
0
1
-Mr
Praca
prądnicowa
-Mk
Praca
silnikowa
Hamowanie
przeciwprądowe
Rys.8. Charakterystyka momentu elektromagnetycznego maszyny asynchronicznej w funkcji poślizgu
Dla pewnej wartości poślizgu zwanego poślizgiem krytycznym moment ma wartość
dM
maksymalną. Rozwiązując równanie
= 0 otrzymuje się
ds
sk = ±
R2 + Rd
.
X 20 + X d
A więc moment krytyczny wynosi
M k = ±c
U1 f
2
2( X 20 + X d )
.
Przy poślizgu s=1 (n=0) silnik rozwija moment rozruchowy Mr
M r =c U1 f
2
R2 + Rd
(R2 + Rd )2 +( X 20 + X d )2
.
Stosunek:
k=
Mk
Mn
nazywany jest przeciążalnością mechaniczną (w praktyce od k = 1,7 ÷ 3).
Wzór Klossa
Wyznaczając moment M jako funkcję momentu krytycznego Mk dostajemy zależność zwaną
wzorem Klossa:
2M k
M=
.
sk
s
+
s sk
Przy bardzo małych poślizgach można w mianowniku wzoru Klossa pominąć drugi składnik
dostając liniową zależność momentu od poślizgu. Dla dużych poślizgów można z kolei pominąć
składnik pierwszy, a wtedy moment jest odwrotnie proporcjonalny do poślizgu.
Analiza stabilności pracy silnika indukcyjnego
M
Mk
A
ść
czę
a
eczn
stat
Mr
B
ni c z
es ę
ta ść
te
cz
na
Mobc
nk
0
s=2
s=1
Hamowanie
przeciwprądowe
s=sk
s=0
Praca
silnikowa
-Mk
Rys.9. Zależność M = f(n) maszyny asynchronicznej
s
-sk
s = -1
Praca
prądnicowa
Charaktrystyki robocze
Właściwości silnika asynchronicznego określa się na podstawie tzw. charakterystyk roboczych
otrzymywanych doświadczalnie z pomiarów w czasie prób obciążenia silnika. Są to zależności
prędkości obrotowej n, prądu I1, cosϕ1, sprawności η oraz poślizgu s od użytecznej mocy
mechanicznej oddawanej na wale silnika (rys.10).
I1
In
ns
cosϕn
ηn
I0
n
cosϕ
η
s
sn
cosϕ0
Pw
0
Pn
Rys.10. Charakterystyki robocze trójfazowego silnika asynchronicznego
4. Rozruch silnika asynchronicznego pierścieniowego
Do pierścieni ślizgowych
Moment
rozruchowy
osiąga
wartość
maksymalną Mr = Mk, gdy sk = 1, tzn.
gdy
R2 + Rd = X20 + Xd. Zachodzi to
oczywiście przy prądzie maksymalnym I2k
(dla silników pierścieniowych I2k/I20 = 7 ÷ 8).
Zadaniem rozrusznika jest ograniczenie tego
prądu.
Rys.11.Układ rozrusznika oporowego
a)
b)
faza
wirnika
R2
R2 + r1
R2 + r2
R2 + r3
R2 + rm
c)
s
0
sn
s1
s2
s3
s4
s4
sm
sm
M
1
0
Rys.12.
B
A
s
0
sn
s1
s2
s3
Mop
M1
M2
I2
1
Mk
0
I2n
I21
I22
I2k
Rozruch silnika asynchronicznego: a) schemat połączeń, b) zmiany momentu obrotowego, c) zmiany prądu
wirnika
5. Regulacja prędkości obrotowej silnika asynchronicznego pierścieniowego
n=
60 f1
(1 − s )
P
Zmiana liczby par biegunów
Różne liczby par biegunów otrzymuje się przez przełączanie jednego uzwojenia lub przez
zastosowanie kilku uzwojeń. W praktyce, ze względu na skomplikowaną konstrukcję maszyny,
sposób ten stosowany jest stosunkowo rzadko.
Sterowanie częstotliwościowe
n
f3
ns3
f2 < f1 < f3
ns1
f1
ns2
f2
Rys.13. Charakterystyki mechaniczne przy
zespolonym sterowaniu częstotliwością i
napięciem
M
M r3
0
M r1
M r2
Mk
Zmiana poślizgu
Prędkość wirowania pola magnetycznego nie ulega zmianie, zmienia się jedynie poślizg wirnika
względem pola magnetycznego. Zmianę poślizgu uzyskuje się dwoma sposobami: zmieniając
napięcie zasilające stojan oraz zmieniając rezystancję lub reaktancję w obwodzie wirnika.
a) Zmiana napięcia zasilającego
n
Mop = kn 2
ns
n1
n2
U1 > U 2 > U 3
n3
U3
s = sk
U2
Rys.14.Charakterystyki mechaniczne przy
sterowaniu napięciowym
U1
M
M k3
0
M k2
M k1
b) Rezystancje lub reaktancje dodatkowe w obwodzie wirnika
a)
b)
pierścienie
ślizgowe
n
M op
(s=s x) n x
R 2+R d2
R 2+R x
2
+R
R2 +
Rd
B
1
d2
(s=s B)
M
(s=1)
0
Rys.15.
R
x
R 2+R d1
A
R2
+R
R2
R2
(s=0) ns
(s=s 1 ) n 1
M*
Mk
Rezystancje dodatkowe w obwodzie wirnika: a) schemat połączeń, b) charakterystyki mechaniczne przy
powiększeniu rezystancji obwodu wirnika
6. Hamowanie silnika asynchronicznego pierścieniowego
Hamowanie nadsynchroniczne (prądnicowe)
Pracę prądnicową silnika można uzyskać przez zmniejszenie częstotliwości zasilania przy
potencjalnym momencie obciążenia oraz przez przełączenie liczby biegunów na większą ich liczbę.
Hamowanie przeciwprądowe
n
n(M)
ns
sk
Rys.16. Charakterystyki hamowania przeciwprądem
silnika asynchronicznego
M
Mop
0
-sk
-ns
Hamowanie prądem stałym (dynamiczne)
Silnik odłącza się od sieci prądu przemiennego, a stojan wzbudza się prądem stałym. Sposób ten
szczególnie nadaje się do szybkiego zatrzymania napędu.
Hamowanie jednofazowe
Maszynę zasila się z sieci jednofazowo. Sposób ten stosuje się w napędach dźwigowych w
zakresie podsynchronicznych prędkości obrotowych.
2. Trójfazowy silnik asynchroniczny z wirnikiem klatkowym
1. Konstrukcja
Rys.17.
a)
b)
Uzwojenie wirnika silnika klatkowego (zwartego)
c)
Rys.18. Kształty żłobków wirnika
(przykłady):
a) klatkowego zwykłego,
b) głębokożłobkowego prostokątnego,
c) dwuklatkowego
2. Zasada działania silników klatkowych jest bardzo podobna jak dla pierścieniowych. Uzwojenie
klatkowe można rozpatrywać jak uzwojenie wielofazowe, o liczbie faz równej liczbie prętów klatki.
Liczba biegunów jest jest zawsze taka sama jak w stojanie.
Schemat zastępczy, wykres wektorowy i charakterystyki robocze są podobne jak dla silnika
pieścieniowego.
3. Rozruch silnika asynchronicznego klatkowego
Przełączanie z gwiazdy w trójkąt
A
B
C
Y
0
A
U
Z
B
V
X
C
W
Y
Y
P r z e łą c z n i k
/∆
STO JAN
Rys.19. Układ połączeń silnika asynchronicznego z przełącznikiem gwiazda - trójkąt
∆
U f∧ =
Un
3
I∧ = I f ∧ =
,
I f∆
3
I f∆ =
.
a)
In
3
I∧ =
.
1
In .
3
b)
s
s
M op
0
0
sn
sn
sp
sp
sk
M
M
Mr
I
I∆
M∆
1
0
sk
M k∆
Mk
M r∆
I
1
M rp
0
Rys.20. Rozruch silnika asynchronicznego za pomocą przełącznika
b) przebieg prądu (sp - poślizg w chwili przełączenia)
Ir
I rp
Ir∆
∧ / ∆: a) przebieg momentu obrotowego,
Rozruch autotransformatorem
A
Un
B
C
W1
W2
ϑ
U
V
W
ϑUn
M
3 ~
Rys.21.
Symetryczny układ rozruchowy z autotransformatorem
Rozruch z rezystancjami lub reaktancjami w obwodzie stojana
A
Un
B
C
W1
U
V
W
M
3 ~
X
Y
Z
Rd
Xd
W2
Rys.22. Symetryczny układ rozruchowy z rezystorami lub dławikami w obwodzie stojana
4. Regulacja prędkości obrotowej silnika asynchronicznego klatkowego
Często stosowaną metodą regulacji prędkości obrotowej silników klatkowych jest zmiana liczby
par biegunów (dla czterech stopni prędkości obrotowych). Stosuje się też sterowanie
częstotliwościowe oraz zmianę napięcia zasilającego (przez włączanie w obwód stojana rezystancji
lub reaktancji).
5. Hamowanie silnika asynchronicznego klatkowego
Do silników klatkowych stosuje się hamowanie nadsynchroniczne, przeciwprądowe i prądem
stałym (dynamiczne). Hamowanie nadsynchroniczne stosuje się do hamowania momentów
potencjalnych.
3. Jednofazowy silnik asynchroniczny
F
~
M
0
ω
4
U
2
Mr
-ns
V
n
0
C
1
ns
1
Z
W
2
3
Rys.23. Jednofazowy silnik asynchroniczny:
1 - uzwojenie główne, 2 - uzwojenie
pomocnicze, 3 - wirnik, 4 - wyłącznik
odśrodkowy
Rys.24. Charakterystyki mechaniczne silnika
jednofazowego: 1 - silnik bez uzwojenia
pomocniczego, 2 - silnik z kondensatorem
C = 1800
Pn
U
2
,
gdzie pojemność C wyrażona jest w µF, moc znamionowa Pn w W oraz napięcie U w V.
µF C
U = 220 V
160
M
=3
r
Mn
M
120
r
=2
Mn
80
Mr = 0,3
40
- 0,4 Mn
P
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
kW
Rys.25. Wartości pojemności kondensatora rozruchowego
a)
0
~
F
C
Rys.26.
b)
0
~
F
C
Układy niesymetrycznych połączeń silników jednofazowych z uzwojeniem trójfazowym:
a - połączenie w gwiazdę, b - połączenie w trójkąt
Trzeba jednak pamiętać, że moc rozwijana przez silnik trójfazowy zasilany jednofazowo (rys.26)
wynosi 50÷60 % jego mocy znamionowej.
4. Jednofazowy komutatorowy silnik szeregowy
Silniki małej mocy (do 750 W) bez
uzwojeń kompensacyjnych i biegunów
zwrotnych stosuje się w urządzeniach
gospodarstwa domowego i w napędach
narzędzi elektrycznych. Prędkość obrotowa
tych silników jest 3000 do 24000 obr/min,
najczęściej 3000÷8000 obr/min. Silniki te
(małej mocy) nazywane są silnikami
uniwersalnymi, gdyż można je zasilać
zarówno z sieci prądu przemiennego, jak i z
sieci prądu stałego o tym samym napięciu.
U
1
M
3
R
2
Rys.27.
Silnik komutatorowy jednofazowy:
1 - uzwojenie wzbudzające, 2 - uzwojenie
kompensacyjne, 3 - uzwojenie biegunów
zwrotnych
M
n
M(t)
U =U
n
Mśr
t
Rys.28. Przebieg czasowy momentu obrotowego
U=
0 ,5
U = 0,7
U
n
Un
M
Rys.29. Charakterystyki mechaniczne jednofazowego komutatorowego silnika szeregowego