SILNIK INDUKCYJNY KLATKOWY 1. Budowa i zasada działania

SILNIK INDUKCYJNY KLATKOWY
1. Budowa i zasada działania silników indukcyjnych
Zasadniczymi częściami składowymi silnika indukcyjnego są nieruchomy stojan
i obracający się wirnik. Wewnętrzną stronę stojana tworzy pakiet z blach o wyciętych
żłobkach, w których są umieszczone fazy uzwojenia. (rys. 1.1)
Rys. 1.1 Uzwojenie stojana silnika indukcyjnego (schemat ideowy).
Wirnik może być klatkowy lub pierścieniowy. Wirnik klatkowy (zwarty) ma uzwojenie w
postaci klatki wykonanej z nieizolowanych prętów połączonych na końcach pierścieniami
zwierającymi (rys. 1.2). Wirnik pierścieniowy ma uzwojenie wykonane z drutu nawojowego,
podobnie jak stojan. Końce faz uzwojenia są ze sobą zwarte, tworząc tzw. punkt gwiazdowy,
początki natomiast są połączone z pierścieniami ślizgowymi umieszczonymi na wale (rys.
1.3). Do pierścieni ślizgowych przylegają szczotki, które umożliwiają połączenie wirujących
uzwojeń wirnika z obwodami zewnętrznymi (najczęściej są to rezystancje rozruchowe bądź
regulacyjne).
Rys. 1.2 Budowa silnika indukcyjnego klatkowego
a – klatka, b – wirnik, c – silnik w przekroju
Zasada działania silników indukcyjnych opiera się na wykorzystaniu zjawiska indukcji
elektromagnetycznej. Źródłem strumienia magnetycznego jest uzwojenie stojana, którego
fazy rozmieszczone na obwodzie co 120º są zasilane napięciami 3-fazowymi, przesuniętymi
w fazie także o 120º. Pole magnetyczne to wirujące pole kołowe, którego prędkość
wirowania, zwana prędkością synchroniczną, opisuje się wzorem:
60 f 1
p
gdzie: f1 – częstotliwość napięcia zasilającego,
p – liczba par biegunów.
n1 =
Rys. 1.3 Wirnik silnika indukcyjnego pierścieniowego
Pole wirujące przecina uzwojenia wirnika i indukuje w nim napięcia. Jeżeli obwód
wirnika jest zamknięty, to pod wpływem tych napięć płyną prądy. Prądy te, łącznie z polem
magnetycznym stojana, są źródłem momentu wirnika. Pod wpływem tego momentu wirnika
się obraca. Prędkość wirowania wirnika n jest mniejsza od prędkości synchronicznej (silnik
asynchroniczny). W silnikach indukcyjnych używa się powszechnie pojęcia poślizgu s:
n −n
s= 1
n1
gdzie: n1 – prędkość synchroniczna,
n – prędkość wirnika.
Gdy wirnik silnika asynchronicznego jest nieruchomy, wówczas jego prędkość obrotowa
przyjmuje wartość zero (n = 0), a poślizg s = 1. Przy prędkości wirnika równej prędkości
synchronicznej poślizg jest równy zeru (s = 0).
Rys. 1.4 Charakterystyki: momentu i prądu stojana silnika indukcyjnego
Charakterystyka momentu M oraz charakterystyka prądu stojana I w funkcji obrotów
(poślizgu) zostały przedstawione na rys 1.4. Na podstawie tego rysunku można łatwo
prześledzić charakterystyczne punkty obu charakterystyk. Prąd stojana silnika ma największą
wartość Ir przy nieruchomym wirniku (n = 0, s = 1), a moment rozruchowy Mr nie przyjmuje
wtedy swej największej wartości. Maksymalna wartość momentu Mmax występuje przy
poślizgu tzw. krytycznym sk.
2. Rozruch silników indukcyjnych klatkowych
Włączenie silnika do sieci o pełnym napięciu wiąże się z wystąpieniem dużych (od 4 do
7IN) prądów rozruchowych. Jest to niebezpieczne zarówno dla silnika (skutki termiczne,
elektrodynamiczne), jak i dla zasilającej sieci (duży spadek napięcia w sieci).
Najpowszechniej stosowane są następujące sposoby rozruchu silników asynchronicznych
klatkowych:
- rozruch bezpośredni,
- rozruch napięciowy.
Rozruch bezpośredni, polegający na bezpośrednim włączeniu silnika do sieci o
pełnym napięciu występuje tylko w przypadku sieci dopuszczającej tak duży chwilowy pobór
prądu (sieć o odpowiednio dużej mocy zwarcia) i przy napędach o krótkim czasie rozruchu.
W silnikach większej mocy o długim czasie rozruchu stosuje się rozruch napięciowy.
Rys. 2.1 Wpływ napięcia zasilania: a) na zależność prądu stojana od prędkości, b) na
charakterystykę mechaniczną
Rozruch napięciowy, polega na zmniejszeniu prądów rozruchowych poprzez
obniżenie napięcia zasilającego (rys 2.1a). W pierwszej chwili rozruchu zasila się silnik
napięciem obniżonym, które w miarę wzrostu prędkości silnika podnosi się do wartości
znamionowej. Napięcie zasilania można zmieniać płynnie, stosując zasilanie z regulatora
napięcia, lub skokowo, stosując przełącznik gwiazda – trójkąt (rys. 2.2).
W przypadku przełącznika gwiazda-trójkąt uzwojenie stojana silnika pracujące
normalnie przy połączeniu w trójkąt jest w trakcie rozruchu przełączone za pomocą
przełącznika w gwiazdę. Dzięki temu przełączeniu następuje w czasie rozruchu obniżenie 3
razy napięcia przypadającego na fazę uzwojenia.
Rys. 2.2 Rozruch silnika indukcyjnego za pomocą przełącznika gwiazda-trójkąt
a – połączenie w gwiazdę, b – połączenie w trójkąt, c – silnik z nadbudowanym
przełącznikiem gwiazda - trójkąt
Przy obniżeniu napięcia zasilającego następuje także zmniejszenie wartości momentu
(rys. 2.1b), w tym także momentu rozruchowego Mr. Nie zmienia się jednak miejsce
występowania na charakterystyce mechanicznej momentu maksymalnego Mmax, czyli nie
zmienia się poślizg krytyczny sk. Zmniejszenie wartości momentu rozruchowego ma
bezpośredni wpływ na przebieg i dynamikę rozruchu. Może się zdarzyć nawet tak, że moment
obciążenia w chwili rozruchu jest większy niż moment rozruchowy rozwijany przez silnik. W
takim przypadku rozruch jest niemożliwy.
Rys. 2.3 Wpływ częstotliwości zasilania na charakterystykę mechaniczną silnika: a) przy
stałej wartości napięcia zasilania U1 = const, b) przy proporcjonalnej zmianie napięcia
zasilania i częstotliwości U1/f1 = const, c) przy parametrycznej zmianie U1 i f1 zapewniającej
Mk = const, d) przy parametrycznej zmianie U1 i f1 zapewniającej Mr = const
Regulacja prędkości obrotowej uzyskać można poprzez zmianę częstotliwości
napięcia zasilania. (rys. 2.3) Wymaga to jednak instalowania specjalnego urządzenia,
stanowiącego źródło prądu trójfazowego o regulowanej częstotliwości, tzw. przetwornicy
częstotliwości.