Silniki indukcyjne

Silnik trójfazowy indukcyjny
Silniki indukcyjne
Ze względu na budowę wirnika maszyny indukcyjne dzieli się na:
-Maszyny indukcyjne pierścieniowe.
-Maszyny indukcyjne klatkowe.
Silniki pierścieniowe to takie silniki indukcyjne, w których uzwojenie wirnika i stojana
wykonane są z izolowanych przewodów. Końce uzwojeń wirnika wyprowadzone są poprzez
pierścienie ślizgowe i szczotki na zewnątrz maszyny. Za pomocą pierścieni ślizgowych
możliwe jest włączenie do obwodu wirnika urządzeń rozruchowych i regulacyjnych.
Rys. 1. Wirnik maszyny indukcyjnej pierścieniowej
Silnik klatkowy to maszyna indukcyjna, w której wirnik ma postać walca zbudowanego z
pakietu blach. W żłobkach wirnika umieszczone są uzwojenia (miedziane bądź aluminiowe) z
przyłączonymi pierścieniami czołowymi z tego samego metalu, tworząc tzw. klatkę.
Rys. 2. Wirnik maszyny indukcyjnej klatkowej
Stojan silnika klatkowego również zbudowany jest za pomocą pakietu blach. W żłobkach
(wewnątrz stojana) znajdują się cewki z nawiniętego drutu miedzianego. Zakończenia cewek
są wyprowadzone na zewnątrz stojana do zacisków z doprowadzonym zasilaniem.
Silnik trójfazowy asynchroniczny składa się z nieruchomej części zwanej stojanem ma kształt
wydrążonego walca i zaopatrzonej w uzwojenie, do którego doprowadza się prąd z sieci
zasilającej. W części wewnętrznej znajduje się wirnik - część ruchoma, która też jest w
Strona 1 z 5
Silnik trójfazowy indukcyjny
kształcie walca. Obwód magnetyczny oddzielony jest szczeliną powietrzną (w zależności od
wielkości maszyny grubość od dziesiątych części milimetra do nawet 3mm). Rdzenie stojana i
wirnika, które tworzą obwód magnetyczny, zbudowane są z pakietu blach izolowanych
między sobą.
Rys. 3. Przekrój silnika indukcyjnego
Zasada działania silnika asynchronicznego
Wytworzone przez uzwojenia stojana wirujące pole magnetyczne obraca się wokół
nieruchomego wirnika. W wyniku przecinania przez to pole prętów klatki wirnika, indukuje
się w nich napięcie (stąd nazwa ”silnik indukcyjny”) i zaczyna płynąć w nich prąd. Przepływ
prądu w polu magnetycznym powoduje powstanie siły elektrodynamicznej działającej
stycznie do obwodu wirnika, a zatem powstaje także moment elektromagnetyczny. Jeżeli
wartość tego momentu jest większa od wartości momentu obciążenia, to wirnik rusza i
zaczyna zwiększać swoja prędkość obrotową. Zwiększanie prędkości wirnika, powoduje że
pręty jego klatki przecinane są przez pole magnetyczne z coraz mniejszą prędkością, co
skutkuje zmniejszeniem wartości indukowanej siły elektromotorycznej i spadkiem wartość
prądu płynącego w prętach klatki, a zatem spada również wartość momentu
elektromagnetycznego.
Jeżeli moment ten spadnie do wartości równej momentowi obciążenia, wirnik przestanie
przyspieszać i dalej będzie poruszał się ze stałą prędkością. Gdyby nie było żadnego
momentu oporowego, wirnik osiągnąłby prędkość równą wartości prędkości wirowania pola,
a więc prędkości synchronicznej. W takim przypadku pole wirnika byłoby nieruchome
względem pola stojana, a więc ustałoby przecinanie prętów klatki przez pole stojana i nie
płynęłyby w nich prądy, nie powstałby moment elektromagnetyczny. Sytuacja taka nie jest
jednak możliwa do wystąpienia w rzeczywistym silniku, ponieważ zawsze występuje jakiś
moment obciążenia, chociażby moment tarcia w łożyskach czy oporów powietrza (chyba że
wirnik będzie napędzany mechanicznie przez jakiś inny silnik). Zatem wirnik osiągnie taką
prędkość (zwykle niewiele mniejsza od prędkości synchronicznej), przy której momenty
elektromagnetyczny silnika i obciążenia będą miały tą samą wartość. Skoro nie jest to
Strona 2 z 5
Silnik trójfazowy indukcyjny
prędkość synchroniczna, musi to być prędkość asynchroniczna, której silnik indukcyjny
zawdzięcza swoja druga nazwę - “silnika asynchronicznego”.
Wartość prędkości synchronicznej n1 liczymy jako:
60 f
(1)
p
gdzie: f – częstotliwość napięcia zasilania silnik, p – liczba par biegunów.
Wirnik obraca się z mniejszą prędkością niż stojan. Wartość tej prędkości jest uzależniona od
momentu obciążenia - przy większym momencie oporowym wirnik obraca się wolniej,
przyspiesza, jeżeli go zmniejszamy. A więc w skoro prędkości wirnika i stojana są różne,
oznacza to, że stojan, a w rzeczywistości pole wirujące wytwarzane przez stojan, obraca się z
pewną prędkością względem wirnika. Prędkość ta jest nieznacznie mniejsza od prędkości
synchronicznej. Można wprowadzić tu dodatkowe pojęcie poślizgu, który wyraża się wzorem:
n −n
s= 1
(2)
n1
n1 =
gdzie: n1 – prędkość synchroniczna, n – prędkość wirnika maszyny.
Charakterystyki momentu oraz prądu rozruchowego silnika indukcyjnego
Charakterystyka mechaniczna silnika indukcyjnego ukazuje zależność momentu na jego wale
od prędkości obrotowej silnika.
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). 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.
Rys. 4. Charakterystyki: momentu i prądu stojana silnika indukcyjnego
Rozruch silnika asynchronicznego
Rodzaje rozruchu silnika indukcyjnego
•
•
Rozruch bezpośredni
Rozruch skokowy gwiazda-trójkąt (rozruch napięciowy)
Strona 3 z 5
Silnik trójfazowy indukcyjny
•
•
•
Rozruch napięciowy z zastosowaniem regulatora napięcia (rozruch napięciowy)
Rozruch przez zmianę rezystancji w obwodzie wirnika
Rozruch z zastosowaniem “softstartu”
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. 5. 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 5a). 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. 6). W przypadku przełącznika gwiazdatrójkąt 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. 6. 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.
5b), 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
Strona 4 z 5
Silnik trójfazowy indukcyjny
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.
W przypadku silnika pierścieniowego w celach rozruchowych można stosować dodatkowe
rezystory przyłączane do uzwojeń wirnika (rozruch zmianę rezystancji w obwodzie wirnika)
co powoduje spadek prądu wirnika, a zatem również spadek prądu pobieranego z sieci. Wadą
tego rozwiązania, podobnie jak w przypadku rozruchu gwiazda - trójkąt jest mniejszy moment
rozruchowy silnika, poza tym jak już wspomniano wcześniej, ze względu na skomplikowana
budowę i koszty utrzymania konstrukcja ta jest obecnie rzadko stosowana.
W wielu układach napędowych, do łagodnego rozruchu 3-fazowych silników indukcyjnych
stosuje się specjalizowane urządzenia, nazywane układami „soft - start” (miękkiego
rozruchu), które mają za zadanie redukuję niekorzystnych zjawisk występujących podczas
rozruchu, wpływających na żywotność silników i jakość ich pracy. Ich zasada działania
opiera się na, płynnej regulacji napięcia podawanego na uzwojenia (lub jedno z uzwojeń) W
roli elementów sterujących stosuje się najczęściej tyrystory. Zwykle urządzenia takie
umożliwiają kontrole i możliwość nastawienia wielu parametrów takich jak czas rozruchu,
wartość początkowego momentu rozruchowego, kolejności faz lub temperaturę przegrzania.
Strona 5 z 5