Sposób rozruchu silnika indukcyjnego.

Zdzisław Pawlak
Sposób rozruchu silnika indukcyjnego.
P 277995
1989r. zgłoszono w UP.
Zgłoszenie współtworzy stan techniki światowej.
Przedmiotem wynalazku jest sposób rozruchu silnika indukcyjnego.
Znane są sposoby rozruchu silników indukcyjnych polegające na tym, że następuje
zmiana ilości par biegunów najprościej w stojanie.
Bardzo często stosowane są przełączniki gwiazda - trójkąt załączane ręcznie lub
automatycznie, realizujące rozruch silników indukcyjnych poprzez zmianę rezystancji
stojana. Do tej grupy można też zaliczyć układy zasilania poprzez autotranswormator
lub z podłączaniem w szereg ze stojanem dodatkowych rezystancji.
Rozwijane są metody rozruchu silników indukcyjnych poprzez stosowanie w
wirnikach prętów głębokożłobkowych i uzwojeń wieloklatkowych.
Znane są powszechnie wady silników indukcyjnych klatkowych: duży prąd rozruchu
dochodzący siedmio, a nawet dziewięciokrotnej wielkości prądu znamionowego In,
oraz mały moment startowy, dwuklatkowych i głębokożłobkowych: dochodzący do
trzy, a nawet pięciokrotnej wielkości prądu znamionowego In.
Silniki pierścieniowe realizują rozruch poprzez zmianę rezystancji w obwodzie
wirnika, sposób ten jednym z droższych rozwiązań o dużym skomplikowaniu. Mały
moment rozruchu tych silników jest na ogół wystarczający przy bezpośrednim rozruchu
silnika nieobciążonego, ale średnie i duże silniki pierścieniowe nie ruszają zwykle przy
rozruchu bezpośrednim nawet bez obciążenia. Przy awaryjnym spadku napięcia
silnikom tym grozi „utknięcie”, gdyż mają małą zdolność samo rozruchu.
Układy rozruchowe ze zmianą częstotliwości zasilania to chyba najdroższe
rozwiązania, mimo niewątpliwych zalet mają jednak dużo ujemnych cech tj: duża
złożoność, koszty, awaryjność, zasilanie silnika najczęściej napięciem odbiegającym od
sinusoidalnego, duża zawartość wyższych harmonicznych utrudniająca pracę silnika i
generowanie zakłóceń do sieci zasilającej.
Po analizie wyżej wymienionych przykładów nasuwa się taki wniosek, iż
dotychczasowe rozwiązania nie łączą w sobie dwóch cech tj. uzyskania dobrych
parametrów rozruchu przy niskich nakładach rzeczowych i małej komplikacji
rozwiązania.
Proponowany silnik indukcyjny charakteryzuje się tym, że posiada wirnik uzwojony
w nowy sposób. W jego żłobkach można wyróżnić więcej niż jedno uzwojenie.
Uzwojenie podstawowe to normalna klatka krótkozwarta lub uzwojenie wielozwojowe,
nawinięte z ilością par biegunów zgodną ze stojanem i na stałe zwarte. Łączny przekrój
uzwojenia podstawowego jest tylko częścią wypełnienia żłobka. Na tym przykładzie
widać że w krótkozwartym uzwojeniu (przy pozostałych rozwartych), w momencie
rozruchu popłynie prąd o krotność mniejszy, zależny od stopnia wypełnienia żłobka
uzwojeniem podstawowym – startowym, w stosunku do całości przekroju uzwojeń
żłobka. Uzwojenie podstawowe powinno znajdować się jako wierzchnie ze względu na
lepsze oddawanie ciepła oraz generowania maksymalnego momentu startowego silnika.
Drugie i ewentualnie następne uzwojenia są wielozwojowe i zwierane są w
odpowiednim momencie samoczynnie, odśrodkowymi załącznikami umieszczonymi na
wirniku w środku silnika. Dzięki uzwojeniom wielozwojowym uzyskuje się możliwość
zwierania mniejszych prądów, co jest technicznie korzystniejsze i możliwe do
zrealizowania. Przedstawione niżej szkice pokazują przykłady połączeń omawianych
uzwojeń łączonych w gwiazdę lub w trójkąt, oraz szkice zamocowania na wirniku
silnika poszczególnych załączników zwierających. W silnikach małych mocy można
zastosować np. typowe dwubiegunowe włączniki stosowane np. w wiertakach ręcznych
których przycisk załączany byłby siłą odśrodkową odpowiednio obciążoną i regulowaną
dzwignią.
Zasada działania nowego silnika polega na tym, że w momencie startu w wirniku
przewodzi prąd tylko klatka rozruchowa, która jest tak dobrana iż płynie przez nią prąd
rozruchowy (prąd zwarcia), dający zamierzony optymalny moment startu w danych
warunkach pracy silnika indukcyjnego.
W uproszczeniu można przyjąć taki tok rozumowania: gdyby wirnik był nawinięty dużą
ilością identycznych jednozwojowych krótkozwartych uzwojeń tworzących klatkę, to
przyjmując jednakowe napięcia indukowane przez siły transformacji w każdym z nich,
prąd jaki popłynie zależy od ilości jednocześnie zwartych takich uzwojeń. Dobierając
łączny przekrój zwartych zwojów jest możliwy dobór optymalnego prądu zwarcia ,
który da odpowiednią wartość momentu startowego silnika. Gdy silnik przyspiesza
pojawia się SEM rotacji skierowana przeciwnie do SEM transformacji. W efekcie prąd
płynący przez uzwojenie wirnika zaczyna maleć, zaczyna maleć też wartość momentu.
Zwierając teraz następną, odpowiednio ilościowo grupę połączonych teraz szeregowo
uzwojeń, uzyskujemy zwiększenie pracującego przekroju w żłobkach wirnika i
zwiększenie momentu do wartości optymalnej. Ilość takich stopni może być dowolna.
W prostym rozwiązaniu eliminującym przełącznik gwiazda-trójkąt, wystarczy klatka
zwarta i jedno uzwojenie wypełniające resztę miejsca w żłobkach, zwierane
włącznikiem odśrodkowym w odpowiednio ustawionym momencie. Rozruch odbywa
się szybko i ekonomicznie. W przypadku raptownego zwiększenia się momentu
obciążenia, silnik nie „utknie”tylko zwolni, wyłączniki odśrodkowe rozłączą na chwilę
dodatkowe uzwojenia i zwiększając moment, silnik automatycznie powtórzy proces
rozruchu. W porównaniu do znanych rozwiązań rozruchu nowe rozwiązanie cechuje
prostota, niski koszt produkcji i większa niezawodność w działaniu. Aby zobrazować
graficznie zalety nowego rozwiązania załączono niżej wykresy przedstawiające
przebieg rozruchu typowego silnika
pierścieniowego małej mocy (lewa strona) i nowego z dwoma załącznikami (z prawej).
Analizując wykresy wyraźnie widać, że w przypadku silnika pierścieniowego duża
część prądu stojana ( zakreskowane pole pod wykresem ), po transformacji do wirnika
jest zużywana na wydzielanie mocy grzewczej w spiralach rozrusznika zewnętrznego,
trzeba zaznaczyć że w nowym rozwiązaniu takie straty nie występują. W wirniku
nowego silnika płyną prądy porównywalne do prądów płynących w silnikach
pierścieniowych w porównywalnych warunkach startu. Porównując wykresy w
momencie startu, w wirniku nowego silnika wywiązuje się zbliżona ilość ciepła jak w
silniku pierścieniowym, ale stojan pobiera zdecydowanie mniej prądu więc końcowy
efekt jest lepszy na korzyść nowego rozwiązania. Dzięki dużej masie wirnika, dobremu
przewodnictwu cieplnemu materiałów wirnik ma zbliżone warunki temperaturowe do
innych rozwiązań rozruchu silników indukcyjnych.
Wyżej wymienione silniki indukcyjne wg. proponowanego rozwiązania mogą być
zastosowane w produkcji całego typoszeregu silników od mocy „ułamkowych”, do
bardzo dużych mocy. Widzę możliwość modyfikacji starych silników, przezwajając
wirnik w nowy sposób i upraszczając systemy rozruchowe.