SILNIK INDUKCYJNY KLATKOWY

Transkrypt

1 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:

2 60 f1 = p gdzie: f 1 częstotliwość napięcia zasilającego, p liczba par biegunów. 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 s = gdzie: n 1 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

3 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 I r przy nieruchomym wirniku (n = 0, s = 1), a moment rozruchowy M r nie przyjmuje wtedy swej największej wartości. Maksymalna wartość momentu M max występuje przy poślizgu tzw. krytycznym s k. 2. Rozruch silników indukcyjnych klatkowych Włączenie silnika do sieci o pełnym napięciu wiąże się z wystąpieniem dużych (od 4 do 7I N ) 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.

4 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 M r. Nie zmienia się jednak miejsce występowania na charakterystyce mechanicznej momentu maksymalnego M max, czyli nie zmienia się poślizg krytyczny s k. 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 U 1 = const, b) przy proporcjonalnej zmianie napięcia

5 zasilania i częstotliwości U 1 /f 1 = const, c) przy parametrycznej zmianie U 1 i f 1 zapewniającej M k = const, d) przy parametrycznej zmianie U 1 i f 1 zapewniającej M r = 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.