SILNIKI ASYNCHRONICZNE (INDUKCYJNE) KLATKOWE I PIERŚCIENIOWE
Najliczniejszą grupę maszyn elektrycznych stanowią silniki elektryczne, szeroko stosowane w przemyśle, komunikacji i transporcie, rolnictwie, a także w napędach urządzeo gospodarstwa domowego. Silniki elektryczne prądu przemiennego są obecnie największą grupą odbiorników energii elektrycznej w świecie.
Cechy silników elektrycznych z punktu widzenia zastosowania ich w układach napędowych: zalety: - szeroki zakres mocy produkowanych silników (od pojedynczych watów w przypadku silników do napędu modeli do stu megawatów w przypadku silników elektrowni szczytowo-pompowych), - powszechna dostępność energii elektrycznej i łatwość dostarczenia jej w dowolny punkt, - ochrona środowiska, - możliwość pracy w różnych warunkach otoczenia (np. w warunkach zagrożenia wybuchem, pożarowego - niska temp. jego elementów), - łatwa możliwość kontroli i programowania pracy, - łatwa regulacja prędkości (w szerokim zakresie i z dużą dokładnością), - mogą pracować we wszystkich czterech kwadrantach układu współrzędnych (praca silnikowa, hamulcowa oraz prądnicowa), - wysoka sprawność, niska cena i prosta obsługa w czasie eksploatacji. 3
Cechy silników elektrycznych z punktu widzenia zastosowania ich w układach napędowych: wady: - konieczność przyłączenia do nieruchomego zazwyczaj źródła energii elektrycznej, - ciężar jednostkowy i szybkość działania jest mniejsza niż w przypadku siłowników pneumatycznych i hydraulicznych. 4
http://zoise.wel.wat.edu.pl
Zarys budowy maszyn elektrycznych
Obwód magnetyczny - wykonuje się z materiałów ferromagnetycznych. W niektórych obwodach są wykorzystywane magnesy trwałe w celu wytworzenia stałego pola magnetycznego. Obwody elektryczne - wykonuje się z drutu miedzianego pokrytego warstwą lakieru izolacyjnego o przekroju kołowym (w maszynach dużej mocy przekrój może byd inny). Uzwojenia wykonuje się w postaci cewek skupionych (nawijanych na biegunach wydatnych) lub zezwojów układanych w żłobkach rdzenia stojana lub wirnika.
WSTĘP Maszyny indukcyjne są maszynami prądu przemiennego. Następuje w nich przetwarzanie energii elektrycznej w energię mechaniczną (praca silnikowa maszyny) lub energii mechanicznej w elektryczną (praca generatorowa maszyny). Maszyny indukcyjne mają prostą budowę i w związku z tym charakteryzują się dużą niezawodnością, łatwością obsługi oraz małym kosztem. Z tych powodów są one szeroko stosowane w różnych dziedzinach techniki, najczęściej jako silniki, rzadziej jako prądnice.
RODZAJE PÓL MAGNETYCZNYCH Rodzaje pola magnetycznego: 1. Stałe pole magnetyczne (wektor indukcji stały w czasie i przestrzeni) 2. Zmienne pole magnetyczne pulsujące (oscylacyjne) - zmienne w czasie lecz stałe w przestrzeni, wirujące - stałe w czasie lecz zmienne w przestrzeni Sposoby wytwarzania pola wirującego: wirujący magnes, uzwojenie trójpasmowe (trójfazowe) rozmieszczone w przestrzeni co 120 elektrycznych i zasilane napięciem trójfazowym, uzwojenie dwupasmowe (prostopadłe) zasilane napięciami ortogonalnymi (przesuniętymi w fazie o 90 ).
WIADOMOŚCI OGÓLNE Do maszyn indukcyjnych należy duża grupa maszyn o różniących się konstrukcjach przeznaczonych do wypełniania różnorodnych działao. Trójfazowe silniki indukcyjne są najbardziej rozpowszechnione, ponieważ mają prostą budowę, są łatwe w obsłudze, tanie w wykonaniu i eksploatacji, ich właściwości napędowe są dobre. Znajdują one zastosowanie jako silnik ogólnego przeznaczenia, czy silniki specjalne. Silniki indukcyjne mogą byd zbudowane jako jednofazowe - służą wówczas do napędu odbiorników gospodarstwa domowego lub dwufazowe wykorzystywane w urządzeniach automatyki. Silniki indukcyjne liniowe wykorzystywane są w urządzeniach transportowych, gdyż częśd ruchoma tych silników porusz się po linii prostej.
KLASYFIKACJA SILNIKÓW INDUKCYJNYCH SILNIKI INDUKCYJNE TRÓJFAZOWE DWUFAZOWE JEDNOFAZOWE PIERŚCIENIOWE KLATKOWE JEDNOKLATKOWE KUBEŁKOWE KLATKOWE JEDNOKLATKOWE ZWYKŁE JEDNOKLATKOWE GŁĘBOKOŻŁOBKOWE DWUKLATKOWE LINIOWE
OGÓLNY WIDOK SILNIKA INDUKCYJNEGO obudowa tabliczki zaciskowej obudowa tabliczka znamionowa wał
Tabliczka znamionowa zawiera podstawowe informacje o silniku: znamionowe parametry elektryczne (prąd, napięcie, częstotliwość, współczynnik mocy), znamionowe parametry mechaniczne (moc, sprawność, prędkość wirowania, masa), informacje uzupełniające (typ silnika, nazwa lub symbol producenta, rok produkcji, numer fabryczny)
Tabliczka zaciskowa zawiera zaciski przyłączeniowe,za pomocą których obwody elektryczne maszyny łączą się z siecią zasilającą. Silniki indukcyjne trójfazowe mają zazwyczaj sześć zacisków,do których są przyłączone końce uzwojeń stojana. Początki uzwojeń oznacza się literami U1, V1, W1, a odpowiednie końce U2, V2, W2. Połączenie uzwojeo stojana na tabliczce zaciskowej: a) w gwiazdę; b) w trójkąt
Wał napędowy to element, który jest mechanicznie łączony z urządzeniem napędzanym i za jego pośrednictwem wytwarzana w silniku energia mechaniczna przekazywana jest temu urządzeniu Obudowa silnika stanowi ochronę przed szkodliwym oddziaływaniem środowiska na silnik oraz ochronę środowiska ( w tym człowieka) przed zagrożeniami jakie stwarza silnik
MASZYNY INDUKCYJNE Maszyny indukcyjne są maszynami odwracalnymi: praca prądnicowa praca silnikowa W praktyce maszyny asynchroniczne stosowane są jako silniki. Podział silników indukcyjnych ze względu na rodzaj wirnika: klatkowe pierścieniowe
Budowa maszyn indukcyjnych Silnik asynchroniczny (indukcyjny) to najbardziej popularny silnik, o najszerszych zastosowaniach ze wszystkich rodzajów silników elektrycznych, wykorzystywany szczególnie w przemyśle, ale również i w sprzęcie domowym. Charakteryzuje się bardzo prostą, i łatwą w utrzymaniu konstrukcją. Moce budowanych obecnie silników asynchronicznych obejmują zakres od ułamków kilowatów do kilku megawatów. Silnik indukcyjny składa się z dwóch zasadniczych części: nieruchomego stojana i ruchomego(wirującego) wirnika. http://silnikielektryczne.prv.pl
Silniki asynchroniczne jednofazowe Silniki asynchroniczne jednofazowe posiadają wirnik o uzwojeniu klatkowym i stojan o uzwojeniu jednofazowym. Prąd przemienny przepływający przez uzwojenie stojana wytwarza pole pulsujące, które charakteryzuje się tym, że jest rozłożone na obwodzie w przybliżeniu sinusoidalnie oraz, że zmienia się sinusoidalnie w czasie. Pulsujące pole magnetyczne można rozłożyd na dwie składowe, wirujące w przeciwnych kierunkach. Zatem silnik jednofazowy może byd traktowany jak dwa silniki wielofazowe pracujące na wspólnym wale, których strumienie wirują w kierunkach przeciwnych. Moment rozruchowy takiego silnika M rozr = 0.
Brak początkowego momentu rozruchowego jest podstawową wadą silnika jednofazowego. Dla wytworzenia takiego momentu trzeba, aby przy rozruchu pole było nie pulsujące lecz wirujące. Pole może mied składową pulsującą i składową wirującą, co można interpretowad jako dwa pola wirujące, ale o niejednakowych amplitudach. Wytworzone wówczas momentu początkowe nie są sobie równe i silnik samodzielnie dokonuje rozruchu. Aby uzyskad moment rozruchowy, praktyczne konstrukcje silników jednofazowych są wyposażane w dodatkowe uzwojenia rozruchowe połączone szeregowo z kondensatorem.
Silniki asynchroniczne 1-fazowe buduje się na moce nie przekraczające 2kW. Uzwojenie główne stojana zasilane jest z sieci jednofazowej. Uzwojenie główne zajmuje 2/3 liczby żłobków, a w pozostałej części żłobków umieszcza się dodatkowe, tzw. pomocnicze uzwojenie niezbędne dla dokonania rozruchu. Po rozruchu uzwojenie pomocnicze (rozruchowe) odłączane jest od sieci zasilającej. Początki i kooce uzwojenia głównego oraz pomocniczego (z szeregowo połączonym wyłącznikiem odśrodkowym) wyprowadzone są do tabliczki zaciskowej. Małe silniki indukcyjne wykonuje się z fazą rozruchową podłączoną na stałe. Budowa wirników silników asynchronicznych jednofazowych jest analogiczna jak w przypadku silników asynchronicznych trójfazowych.
Przekrój silnika indukcyjnego klatkowego http://silnikielektryczne.prv.pl
BUDOWA SILNIKA TRÓJFAZOWEGO KLATKOWEGO wirnik klatkowy pierścień klatki kadłub uzwojenia stojana Rdzeń stojana tarcza łożyska tarcza łożyska wał
OBWÓD MAGNETYCZNY BUDOWA SILNIKA blachy stojana szczelina powietrzna blachy wirnika
RODZAJE WIRNIKÓW KLATKOWYCH jednoklatkowe - uzwojenie tworzy rodzaj klatki. dwuklatkowe - wirnik ma dwa uzwojenia zwarte w postaci dwóch klatek: wewnętrznej i zewnętrznej, składających się z jednakowej liczby prętów. Taka konstrukcja pozwala na uzyskanie większego momentu rozruchowego przy prądzie o mniejszym natężeniu głębokożłobkowe - klatka zbudowana jest z prętów w kształcie wąskich szyn sięgających w głąb wirnika, pozwala to na przebieg rozruchu jak w silniku dwuklatkowym.
Na wewnętrznej stronie rdzenia stojana i zewnętrznej stronie rdzenia wirnika wykonuje się specjalne rowki, zwane żłobkami, w których umieszczane są uzwojenia. Częśd rdzenia pomiędzy sąsiednimi rowkami, nazywana jest zębem. Żłobki i zęby mogą posiadad różne kształty, zwykle ich liczba w stojanie i wirniku jest różna. Pomiędzy stojanem a wirnikiem znajduje się możliwie mała szczelina powietrzna. Uzwojenie stojana wykonane jest z izolowanego drutu, zaimpregnowane i mocno usztywnione, tak, aby zmniejszyd prawdopodobieostwo uszkodzenia na skutek drgao mechanicznych. Ze względu na sposób wykonania wirnika rozróżnia się dwa rodzaje silników indukcyjnych: klatkowe i pierścieniowe. http://silnikielektryczne.prv.pl
Budowa silnika indukcyjnego klatkowego W silniku indukcyjnym klatkowym obwód elektryczny wirnika jest wykonany z nieizolowanych prętów, połączonych po obu stronach wirnika pierścieniami zwierającymi. Konstrukcja to wyglądem przypomina klatkę o kształcie walca (stąd wzięła się nazwa tego silnika). Obwód magnetyczny wirnika wykonany jest w postaci pakietu blach stalowych z dodatkiem krzemu, wzajemne odizolowanych, złożonych jedna na drugą. Obwód elektryczny wirnika jest zawsze zwarty (inna nazwa tego silnika to silnik indukcyjny zwarty) w związku, z czym nie ma możliwości przyłączania dodatkowych elementów, tak jak ma to miejsce w wirniku silnika pierścieniowego. Klatka stanowi wielofazowe uzwojenie wirnika, a za liczbę faz przyjmuje się liczbę prętów, z których jest wykonana. http://silnikielektryczne.prv.pl
wirnik silnika klatkowego http://silnikielektryczne.prv.pl
Silnik klatkowy ma bardzo prostą, tanią, i łatwa w utrzymaniu konstrukcję. Wykonanie silnika pierścieniowego jest o wiele droższe, ale konstrukcja ta, poprzez możliwośd dołączania dodatkowych elementów do uzwojenia wirnika posiada zdecydowanie bogatsze właściwości ruchowe (układy umożliwiające rozruch i regulacje prędkości silnika). Biorąc jednak pod uwagę coraz większą powszechnośd elektronicznych urządzeo zasilających (falowniki, softstarty), umożliwiających uzyskanie o wiele lepszych właściwości regulacyjnych, wspomniane zalety silników pierścieniowych przestały byd już tak istotne i w ogromnej większości silniki pierścieniowe zostały wyparte przez silniki klatkowe. http://silnikielektryczne.prv.pl
Budowa silnika indukcyjnego pierścieniowego W silniku pierścieniowym uzwojenie wirnika wykonane jest podobnie do uzwojenia stojana. Jest ono na stałe połączone z pierścieniami ślizgowymi (stąd nazwa silnik pierścieniowy ), zwykle trzema, gdyż uzwojenie wirnika najczęściej jest 3-fazowe. Za pośrednictwem przylegających do pierścieni szczotek, uzwojenia wirnika połączone są z dodatkowymi elementami, zwiększającymi rezystancje każdej fazy. (zmianę rezystancji faz stosuje się dla rozruchu, hamowania i zmiany prędkości silnika). Obecnie ze względu na zbyt skomplikowana budowę konstrukcja ta jest raczej rzadko stosowana. wirnik silnika pierścieniowego http://silnikielektryczne.prv.pl
BUDOWA SILNIKA PIERŚCIENIOWEGO OBWODY ELEKTRYCZNE uzwojenia stojana uzwojenia wirnika Pierścienie i szczotki opornik rozruchowy
BUDOWA SILNIKA WIRNIK SILNIKA PIERŚCIENIOWEGO pierścienie ślizgowe uzwojenie blachy wirnika wał W silnikach pierścieniowych wirnik jest uzwojony trójfazowo. Uzwojenia te połączone są w gwiazdę, a końce gwiazdy wyprowadzone są do pierścieni ślizgowych.
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 płynąd w nich prąd. Przepływ prądu w polu magnetycznym powoduje powstanie siły elektrodynamicznej działającej stycznie do obwodu wirnika, a zatem powstaje także moment elektromagnetyczny. Jeżeli wartośd tego momentu jest większa od wartości momentu obciążenia, to wirnik rusza i zaczyna zwiększad swoją prędkośd 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 wartośd prądu płynącego w prętach klatki, a zatem spada również wartośd momentu elektromagnetycznego. http://silnikielektryczne.prv.pl
Jeżeli moment ten spadnie do wartości równej momentowi obciążenia, wirnik przestanie przyspieszad i dalej będzie poruszał się ze stałą prędkością. Gdyby nie było żadnego momentu oporowego, wirnik osiągnąłby prędkośd 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 prędkośd (zwykle niewiele mniejszą od prędkości synchronicznej), przy której momenty elektromagnetyczny silnika i obciążenia będą miały tę samą wartośd. Skoro nie jest to prędkośd synchroniczna, musi to byd prędkośd asynchroniczna, której silnik indukcyjny zawdzięcza swoja druga nazwę - silnika asynchronicznego. http://silnikielektryczne.prv.pl
Wirnik obraca się z mniejszą prędkością niż stojan. Wartośd 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. Prędkośd tę nazywa się poślizgiem i wyraża się wzorem: lub w % n 1 - prędkośd wirowania pola wytworzonego przez stojan n - prędkośd wirowania wirnika http://silnikielektryczne.prv.pl
Moment elektromagnetyczny Często w praktycznych zastosowaniach silnika istnieje potrzeba szybkiego wyznaczenia wartości momentu elektromagnetycznego, jaki jest on w stanie osiągnąd. Tabliczka znamionowa silnika zwykle nie podaje jego wartości, ale podaje za to inne wartości na podstawie których bardzo łatwo go wyliczyd. W najprostszej postaci wzoru na moment obrotowy jest to iloczyn siły i ramienia, na jakim działa ta siła. Powstająca na obwodzie wirnika siła elektrodynamiczna F, obracając się razem z wirnikiem wykonuje pracę W, dostarczając w tym czasie moc P Zatem generowany w tych warunkach moment elektromagnetyczny M : Wartości mocy znamionowej silnika P i prędkości asynchronicznej n podawane są zawsze na tabliczkach znamionowych silników, zatem mając te wartości można łatwo wyliczyd wartośd znamionowego momentu silnika. http://silnikielektryczne.prv.pl
Charakterystyka mechaniczna Charakterystyka mechaniczna silnika indukcyjnego ukazuje zależnośd momentu na jego wale od prędkości obrotowej silnika Jak juz wspomnieliśmy prędkośd obrotową silnika asynchronicznego można wyrazid za pomocą poślizgu. Charakterystykę mechaniczną silnika można wyrazid za pomocą następującego wzoru: Wzór ten nazywany jest wzorem Klossa. M r moment rozruchowy s k - poślizg krytyczny M - moment silnika M m - moment krytyczny silnika s - poślizg s m - poślizg krytyczny http://silnikielektryczne.prv.pl
Rodzaje pracy silników indukcyjnych Charakterystyka mechaniczna silnika indukcyjnego dla różnych rodzajów jego pracy http://pc150.imne.pwr.wroc.pl/zme
Rozruch silników asynchronicznych Rozruch bezpośredni Rozruch gwiazda-trójkąt Rozruch przez zmianę rezystancji w obwodzie wirnika Zastosowanie softstartu http://silnikielektryczne.prv.pl
Rozruch bezpośredni Rozruch silnika jest możliwy, jeżeli powstający w chwili rozruchu moment elektromagnetyczny jest większy niż moment obciążenia. Najprostszym sposobem dokonania rozruchu silnika indukcyjnego jest podłączenie uzwojeo stojana do 3-fazowego źródła zasilania (w przypadku silnika 3-fazowego), jest to tzw. rozruch bezpośredni. W tym przypadku pobierany prąd rozruchu jest wielokrotnie większy niż prąd znamionowy (do 8 razy), co powoduje nagrzewanie się uzwojeo, a także może spowodowad spadki napięcia sieci zasilającej. Wartośd powstającego momentu elektromagnetycznego nie jest zbyt duża, dlatego, aby silnik mógł wystartowad nie może byd zbytnio obciążony. Ze względu na te ograniczenia rozruch bezpośredni stosuje się dla silników o małych mocach (do kilkunastu kw). http://silnikielektryczne.prv.pl
Rozruch gwiazda-trójkąt Sposobem na zmniejszenie prądu rozruchowego, jest zastosowanie w celach rozruchowych przełącznika gwiazda - trójkąt. Rozruch ten jest jednak możliwy tylko dla silników 3-fazowych, które mają wyprowadzone 6 zacisków na tabliczce zaciskowej, umożliwiające odpowiednie podłączenie uzwojeo stojana w gwiazdę lub w trójkąt. uzwojenia połączone w gwiazdę uzwojenia połączone w trójkąt http://silnikielektryczne.prv.pl
Połączenie w gwiazdę polega na połączeniu kooców wszystkich trzech uzwojeo do jednego wspólnego punktu, a pozostałych trzech kooców do kolejnych faz sieci zasilającej. W ten sposób każde z uzwojeo stojana podłączone jest jednym koocem do przewodu neutralnego N, a drugim do przewodu fazowego (L1, L2 lub L3). Na każdym z tych uzwojeo występuje zatem napięcie fazowe (czyli w naszych warunkach wynosi ono 230V). Zwykle nie stosuje się połączenie punktu wspólnego wszystkich uzwojeo z punktem neutralnym N ponieważ nie jest ono konieczne. uzwojenia stojana połączone w gwiazdę http://silnikielektryczne.prv.pl
Połączenie w trójkąt polega na połączeniu kooca uzwojenia danej fazy z początkami uzwojenia fazy następnej (punkt U2 łączony z V1, V2 z W1 a W2 z U1). Połączone w ten sposób uzwojenia tworzą zamknięty obwód, a jego wygląd przypomina trójkąt. Punkty wspólne uzwojeo łączone są następnie do kolejnych faz sieci zasilającej. W tym połączeniu wcale nie wykorzystuje się punktu neutralnego. Przy połączeniu w trójkąt na każdym z uzwojeo panuje napięcie międzyfazowe (które w naszych warunkach wynosi 400V). uzwojenia stojana połączone w trójkąt http://silnikielektryczne.prv.pl
Przy połączeniu uzwojeo silnika w trójkąt, prąd pobierany przez silnik z sieci jest 3-krotnie większy niż prąd pobierany przy połączeniu w gwiazdę. Także moment elektromagnetyczny a więc i moc silnika w tym przypadku są 3- krotnie większe. Stosując przełącznik gwiazda trójkąt możemy wystartowad silnik połączony w gwiazdę, przez co będzie mniejszy pobór prądu z sieci zasilającej, a następnie po osiągnięciu przez silnik odpowiedniej prędkości obrotowej przełączyd uzwojenia stojana w trójkąt, tak, aby silnik mógł zapewnid pożądaną przez nas moc. W starszych rozwiązaniach przełączenie zwykle dokonywane było ręcznie przez operatora, obecnie w układach stosuje się specjalizowane do tego celu układy styczników i przekaźników dokonujące automatycznego przełączenia po nastawionym wcześniej czasie. Przebieg momentu obrotowego i prądu podczas rozruchu silnika klatkowego za pomocą przełącznika gwiazda-trójkąt, w zależności od prędkości obrotowej http://silnikielektryczne.prv.pl
Innymi sposobami zmniejszania prądu rozruchowego silników klatkowych jest obniżanie na czas rozruchu napięcia zasilającego, poprzez włączenie szeregowo autotransformatorów rozruchowych lub dodatkowych rezystorów, a ostatnio coraz częściej tyrystorowych regulatorów napięcia (przekształtników tyrystorowych) w obwody zasilające stojany silników. W odróżnieniu od rozruchu za pomocą przełącznika gwiazda-trójkąt, sposoby te umożliwiają wielostopniową regulację napięcia. Otrzymuje się wtedy rodziny charakterystyk mechanicznych zapewniających większą płynnośd rozruchu. Ze względu na znaczny koszt takich urządzeo rozruchowych mają one mniejszy zakres zastosowania.
Zmiana kierunku wirowania Przebieg momentu obrotowego i prądu rozruchowego - w zależności od prędkości obrotowej silnika przy skokowym, czterostopniowym zmniejszaniu rezystancji rozrusznika połączonego z uzwojeniami wirnika - można regulowad dobierając odpowiednią wartośd maksymalną rezystancji i liczbę stopni rozruchowych (aż do regulacji płynnej). Silniki pierścieniowe umożliwiają wprawdzie skuteczne zmniejszenie prądu rozruchowego, lecz ich zastosowanie jest ograniczone. Wynika to stąd, że silniki te - w porównaniu z silnikami klatkowymi - mają bardzo złożoną budowę, są kosztowniejsze, a ich rozruch jest bardziej skomplikowany. W silnikach indukcyjnych kierunek wirowania zależy od kolejności przyłączenia faz uzwojenia stojana do odpowiednich faz sieci zasilającej. Zmianę kierunku wirowania uzyskuje się zamieniając między sobą dwa dowolne przewody zasilające, przyłączane do tabliczki zaciskowej silnika. Zmiana połączeo uzwojeo stojana:
Rozruch przez zmianę rezystancji w obwodzie wirnika W przypadku silnika pierścieniowego w celach rozruchowych można stosowad dodatkowe rezystory przyłączane do uzwojeo 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 juz wspomniano wcześniej, ze względu na skomplikowana budowę i koszty utrzymania konstrukcja ta jest obecnie rzadko stosowana. http://silnikielektryczne.prv.pl
Zastosowanie softstartu W nowoczesnych 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 żywotnośd silników i jakośd ich pracy. Ich zasada działania opiera się na, płynnej regulacji napięcia podawanego na uzwojenia (lub jedno z uzwojeo) W roli elementów sterujących stosuje się najczęściej tyrystory. Zwykle urządzenia takie umożliwiaja kontrole i możliwośd nastawienia wielu parametrów takich jak czas rozruchu, wartośd początkowego momentu rozruchowego, kolejności faz i czy temperaturę przegrzania. schemat podłączenia silnika do sieci 3- fazowej za pośrednictwem softstartu. http://silnikielektryczne.prv.pl
Sposoby regulacji napędów elektrycznych Sterując energią elektryczną dostarczaną do silnika reguluje się jego prędkośd obrotową i moment obrotowy. Potrzeba regulacji tych parametrów wyjściowych silnika wynika ze względów technologicznych oraz oszczędności energii. W początkach XX wieku regulacje parametrów wyjściowych silników elektrycznych stosowano w bardzo ograniczonym zakresie, głównie w silnikach prądu stałego. Znaczącym postępem było wprowadzenie do praktyki przemysłowej tzw. układu Leonarda. Umożliwiło to regulację silników prądu stałego. Silnik elektryczny trójfazowy prądu przemiennego sprawił duże trudności przy próbach regulacji prędkości obrotowej lub momentu. Z tego względu regulację parametrów wyjściowych silników stosowano głównie do silników prądu stałego. W przypadku silników prądu przemiennego, który z uwagi na swoje właściwości ruchowe był najczęściej stosowanym, do regulacji prędkości były używane metody mechaniczne (przekładnie, sprzęgła regulowane). Najczęściej jednak silnik trójfazowy prądu przemiennego był stosowany bez układów regulacji, tylko wyposażony w odpowiednią aparaturę łączącą i zabezpieczającą.
W lalach sześddziesiątych i siedemdziesiątych znacząco rozwinęła się technika półprzewodnikowych elementów sterowanych. W napędzie elektrycznym rozpoczął się okres szerokiego stosowania tyrystorowych przekształtników do silników prądu stałego. Rozwijały się także badania w dziedzinie napędu prądu przemiennego, chod w zastosowaniach przemysłowych znacznie wolniej niż w dziedzinie napędu z silnikami prądu stałego. Na przełomie lat 1980 i 1990 rozpoczęła się znacząca produkcja przemienników częstotliwości (przetwornice częstotliwości) stosowanych do zasilania silników prądu przemiennego. W pierwszej połowie lat 90 tych technika wytwarzania przemienników stała się na tyle prosta, że aktualnie przetwornice częstotliwości są wytwarzane przez wiele firm. Konstrukcja współczesnego przemiennika częstotliwości umożliwia w prosty sposób uruchomienie regulowanego napędu z silnikiem prądu przemiennego (najczęściej trójfazowym).
Regulacja prędkości obrotowej silnika indukcyjnego zmiana poślizgu Przez zmianę napięcia zasilającego silnik, przy stałym momencie hamującym, można wpłynąd na zmianę poślizgu z jakim pracuje silnik. Zakres regulacji poprzez zmianę napięcia zasilającego wynosi niewiele około 10% w dół od prędkości znamionowej. Ten sposób regulacji nie jest więc korzystny. Zmniejszaniu napięcia przy stałej wartości momentu towarzyszy wzrost prądów, zarówno w obwodzie wirnika jak i stojana, co powoduje niekorzystny wzrost strat w uzwojeniach. Zmianę wartości napięcia można uzyskad za pomocą autotransformatora, reaktancji regulacyjnych, rezystancji regulacyjnych w obwodzie stojana itp. W praktyce ten sposób regulacji prędkości obrotowej silnika indukcyjnego jest prawie nie stosowany. prędkośd obrotowa silnika indukcyjnego Po przekształceniu wzoru na poślizg otrzymujemy wzór na prędkośd obrotową silnika indukcyjnego, na podstawie, którego możemy stwierdzid, że będzie ona zależała od: f - częstotliwości zasilania p - liczby par biegunów s - poślizgu http://silnikielektryczne.prv.pl
Zmiana liczby par biegunów Silniki, w których dokonuje się regulacji prędkości obrotowej przez zmianę liczby par biegunów magnetycznych nazywamy silnikami wielobiegowymi. Znalazły one szerokie zastosowanie w napędach obrabiarek. Regulacje taką można realizowad stosując: - dwa niezależne uzwojenia w stojanie o różnych liczbach biegunów magnetycznych, - jedno uzwojenie, które można przełączad tak, aby wytwarzało pola o różnych liczbach par biegunów. Umieszczenie w stojanie dwóch niezależnych uzwojeo o różnych liczbach par biegunów umożliwia skokową regulację prędkości obrotowej przez zmianę uzwojenia przyłączonego do sieci zasilającej. Ten sposób regulacji prędkości może byd stosowany tylko w silnikach klatkowych. Korzystniejsze jest stosowanie jednego uzwojenia, które można przełączad tak, aby wytwarzało pola o różnych liczbach par biegunów. p 1 2 3 4 6 8 10 n 1 3000 1500 1000 750 500 375 300 n 2880 1440 960 720 480 360 288 Tabela wartości prędkości synchronicznych (n) i typowych prędkości asynchronicznych (n 1 ) dla liczby par biegunów stojana (p) (dla poślizgu s=0.04). http://silnikielektryczne.prv.pl
Zmiana rezystancji w obwodzie wirnika Dla silników pierścieniowych podobnie jak dla celów rozruchowych, podłącza się dodatkowe rezystancji w obwód wirnika. Połączone szeregowo z uzwojeniem wirnika rezystancje spowodują spadek prądu płynącego w wirniku, a więc i spadek powstającej siły elektrodynamicznej działającej na wirnik a co za tym idzie spadek momentu i w koocu spadek prędkości obrotowej silnika. Zmiana rezystancji w obwodzie wirnika powoduje zmianę przebiegu charakterystyki mechanicznej silnika. Cechą charakterystyczną jest tu zachowanie stałej wartości momentu maksymalnego. Dodatkowo wzrostowi rezystancji odpowiada wzrost wartości poślizgu krytycznego. Jeżeli silnik pracuje ze zwartymi pierścieniami i napędza maszynę roboczą o stałym momencie hamującym niezależnym od prędkości obrotowej to po włączeniu rezystancji dodatkowej w obwód wirnika ustali się nowy punkt pracy przy zmniejszonej prędkości obrotowej wirnika. Dalszy wzrost rezystancji spowoduje dalsze zmniejszenie prędkości obrotowej. W ten sposób można regulowad prędkośd silnika od znamionowej do dowolnie małej. Ten rodzaj regulacji jest nieekonomiczny, ponieważ w rezystorach regulacyjnych występują duże straty mocy. Stosuje się go w szerszym zakresie prędkości tylko dla małych silników. W dużych jednostkach regulacje taką stosuje się w zakresie 10 do 15%.
Zmiana częstotliwości zasilania Zmieniając częstotliwośd zasilania regulujemy prędkośd wirowania pola magnetycznego, a w konsekwencji prędkośd wirowania wirnika. Sposób ten umożliwia płynną regulację prędkości obrotowej silnika w bardzo szerokim zakresie. Omawiany sposób regulacji wymaga oddzielnego źródła zasilania o regulowanej częstotliwości. Realizuje się to poprzez stosowanie półprzewodnikowych regulatorów mocy (falowników). Falowniki są to urządzenia elektroniczne stosowane do sterowania prędkością obrotową standardowych silników asynchronicznych trójfazowych. Zastosowanie falownika zapewnia równocześnie szereg funkcji dodatkowych, a przede wszystkim zabezpieczanie przeciw przeciążeniu, zwarciom w obwodach silnika, oraz sterowanie procesem rozruchu i hamowania. Jedną z cech napędu falownikowego jest możliwośd uzyskania oszczędności energii, która może sięgad nawet do 50%. Charakterystyki mechaniczne przy zachowaniu U/f = const. falownik i silnik http://silnikielektryczne.prv.pl
Zasada funkcjonowania napędów z falownikami Prędkośd obrotowa omawianych silników zależy od częstotliwości napięcia zasilającego (czyli od czynnika zewnętrznego) oraz od liczby par biegunów (czyli od sposobu, w jaki zaprojektowano i nawinięto uzwojenie stojana ). Wartośd napięcia zasilania ma również wpływ na obroty ale w praktyce nieznaczny w stosunku do dwóch pierwszych czynników. n 0 60 f p gdzie: n 0 - prędkośd obrotowa pola elektromagnetycznego w silniku, f - częstotliwośd napięcia zasilającego (Hz), p - liczba par biegunów stojana. SEW o falownikach prosto i zrozumiale Stanisław Nawracaj, SEW EURODRIVE
n 1 n 1 0 s n 1 - prędkośd obrotowa silnika asynchronicznego (obr/min), s - poślizg silnika, wartośd poślizgu mieści się w granicach od 0 do 1. Moment wytwarzany przez silnik indukcyjny będzie niezmienny, jeśli zachowana zostanie stała wartośd prądu w uzwojeniu oraz stała wartośd strumienia elektromagnetycznego w pakiecie blach stojana i wirnika. Generalnie pozostanie on niezmienny, jeśli zachowany zostanie stały stosunek wartości skutecznej napięcia zasilania do częstotliwości tegoż napięcia. Najczęściej zastosowanie falowników ma umożliwid regulację prędkości obrotowej silnika przy zachowaniu stałości momentu napędowego. Zmiana prędkości obrotowej silnika indukcyjnego przy stałym momencie napędowym jest możliwa jeśli zasilimy ten silnik ze źródła mogącego zmieniad częstotliwośd "f" ale zawsze proporcjonalnie do wartości skutecznej napięcia "U". Przykładowo: jeżeli silnik w znamionowych warunkach wymaga zasilenia napięciem 3 x 400 V / 50 Hz i jego znamionowe obroty wyniosą wówczas np. 1460 l /min to stosunek U/f= 400V/50Hz = 8V/ Hz. Jeśli zmniejszymy obroty pięciokrotnie, to: pięciokrotnie musi zostad zmniejszona częstotliwośd oraz, pięciokrotnie zmniejszona wartośd skuteczna napięcia. Czyli: f = 50 Hz / 5 = 10 Hz oraz U=400V/5=80V. Stosunek U/f wynosid będzie teraz : 80/10 = 8V/Hz czyli warunek spełniony. Użytkownik nie ustawia każdorazowo tych dwóch wielkości (U oraz f) samodzielnie. Najczęściej za pomocą wybranego sygnału sterującego zadaje się żądaną wartośd częstotliwości lub obrotów.
Charakterystyka mechaniczna silnika indukcyjnego z regulacją parametrów wejściowych Z rysunku wynika, że dla każdej częstotliwości z zakresu, w którym spełniony jest warunek stałości U/f, charakterystyka mechaniczna silnika ma ten sam kształt i jest tylko przesunięta wzdłuż osi częstotliwości. Poczynając od punktu, gdzie nie możemy już zapewnid stałości stosunku U/f (falownik generuje napięcie o wartości równej zasilającemu z sieci i dalej zwiększad może tylko samą częstotliwośd) każda następna charakterystyka jest niższa od poprzedniej. Jest to obszar tzw. osłabionego strumienia. Moment krytyczny (M k ) silnika zasilanego ze źródła o stałej wartości napięcia i wzrastającej tylko częstotliwości maleje z kwadratem tej częstotliwości. Moment znamionowy (M N ) silnika również nie pozostanie w tym obszarze niezmienny: będzie on malał odwrotnie proporcjonalnie do wzrostu częstotliwości do chwili zrównania się z malejącym szybciej momentem krytycznym. Częstotliwośd, od której napięcie wyjściowe falownika przestaje wzrastad (wskutek osiągnięcia wartości napięcia zasilania z sieci) nazwa się częstotliwością załomu. Częstotliwośd ta nie zależy od wartości napięcia zasilania.
Przykłady praktycznego zastosowania silników indukcyjnych - układy napędowe pomp wodociągowych Typy układów napędowych pomp: wszystkie silniki napędowe posiadają niezależne indywidualne przemienniki częstotliwości, wyłącznie jeden silnik napędowy zasilany jest przez przemiennik częstotliwości, pozostałe załączane są bezpośrednio do sieci, przemiennik częstotliwości sterujący silnikami jest przełączany na kolejne zespoły napędowe (tzw. układ z wędrującym przekształtnikiem). S S S P Cz P Cz P Cz M1 M2 M3 P1 P2 P3 RUROCIĄG 65
Idea zwiększania wydajności systemu w układzie z trzema pompami Wydajność systemu Q c Max. wydajność pomp 1+2 Max. wyd. pompy 1 Max. wydajność pomp 1+2+3 Q 1 Pompa 1 (wydajność regulowana) Czas Q 2 Pompa 2 (wydajność stała) Czas Q 3 Pompa 3 (wydajność stała) Czas Czas 66
Schemat blokowy układu napędowego pomp Stabilizacja ciśnienia tłoczenia wody w stacjach wodociągowych w przypadku pracy jednej lub więcej pomp w układzie jest realizowana zgodnie ze schematem przedstawionym na rysunku: 67
Hamowanie silników indukcyjnych Elektryczne hamowanie silnikiem występuje wówczas, gdy moment elektromagnetyczny silnika działa w kierunku przeciwnym do kierunku prędkości obrotowej. Przy trójfazowym zasilaniu silnika indukcyjnego możemy zastosować jeden z trzech rodzajów hamowania. Są to: hamowanie naturalne (praca hamulcowa), zwane także hamowaniem przeciwprądem lub hamowaniem prądem sieci, występujące przy prędkości wirowania przeciwnej do kierunku wirowania pola magnetycznego; hamowanie prądnicowe (ze zwrotem energii do sieci), zwane nadsynchronicznym, które występuje przy prędkości wirnika większej od prędkości wirowania pola magnetycznego, hamowanie dynamiczne, czyli hamowanie prądem stałym. Przy rozpatrywaniu każdego z rodzajów hamowania należy zwrócić uwagę na zakresy prędkości obrotowych oraz nachylenie charaktertystyki mechanicznej silnika i urządzenia hamowanego. Okoliczności te w istotny sposób wpływają na ekonomiczność hamowania, gdyż energia hamowania, jaką pobiera silnik w formie energii mechanicznej, może być oddawana do sieci w postaci energii elektrycznej lub tracona w silniku i włączonych w obwód wirnika opornikach. http://www.domelczu.scholaris.pl
Hamowanie naturalne Hamowanie przeciwprądem występuje wówczas, gdy wirnik jest napędzany w kierunku przeciwnym do kierunku wirowania pola magnetycznego. Stan taki może wystąpid wówczas, gdy moment M wytworzony w silniku stanie się mniejszy od momentu hamującego M h na skutek włączenia dużej rezystancji w obwód wirnika. Na rysunku 1 pokazano układ połączeo silnika pierścieniowego napędzającego dźwig podnoszący ciężar. Moment od ciężaru oznaczmy przez M h Na rysunku 2 krzywa 1a jest charakterystyką mechaniczną naturalną n = f(m) silnika, a proste 2a, 3a i 4a są charakterystykami mechanicznymi (na części prostoliniowej charakterystyki) przy dodatkowych, coraz to większych rezystancjach włączonych w obwód wirnika. Można tak zwiększyd rezystancje w wirniku, że maszyna przejdzie na charakterystyki odpowiadające prostym 1b, 2b itd. Po przejściu przez 0 prędkośd obrotowa zmieni kierunek uzyskując wartości ujemne, odpowiadające punktom przecięcia prostych 1b i 2b z prostą momentu hamującego M h pochodzącego od ciężaru G, czyli będzie pracowad z poślizgiem s > 1. http://www.domelczu.scholaris.pl
Rys. 1. Układ połączeo silnika pierścieniowego napędzającego dźwig Rys. 2. Hamowanie naturalne i prądnicowe maszyną indukcyjną http://www.domelczu.scholaris.pl
Ciężar zaczyna byd opuszczany w dół z prędkością zależną od wartości rezystancji włączonej w obwód wirnika. Wirnik obraca się w kierunku przeciwnym do kierunku wirowania pola magnetycznego, maszyna pracuje w zakresie pracy hamulcowej. Moc pobrana przez maszynę pracującą w tym zakresie jest zużyta na straty. Większośd tych strat wydziela się w oporniku regulacyjnym w postaci ciepła, co jest poważną wadą tego hamowania. Dalsze nachylenie charakterystyki n = f(m) poprzez dalsze zwiększanie rezystancji regulacyjnych powoduje utracenie stabilności pracy. Jest to podstawowa wada (obok nadmiernego nagrzewania się uzwojeo) hamowania w zakresie pracy hamulcowej. http://www.domelczu.scholaris.pl
Hamowanie prądnicowe Przypadek hamowania prądnicowego może wystąpid np. przy opuszczaniu ciężaru w dół za pomocą silnika normalnie podnoszącego ciężar do góry. Do zrealizowania wyżej wymienionego przypadku hamowania zamienia się w maszynie indukcyjnej kierunek wirowania strumienia przez skrzyżowanie dwóch przewodów doprowadzających napięcie do silnika. W konsekwencji tego zmienia się znak wytworzonego w maszynie momentu i zależnośd M = f(n) ma przebieg jak na rys. 2. Charakterystyki M = f(n) przecinają prostą M h (obrazującą obciążenie) w zakresie pracy prądnicowej przy prędkości nadsynchronicznej, ujemnej w stosunku do prędkości, jakie występowały przy podnoszeniu ciężaru. Włączając odpowiednie rezystancje w obwód wirnika, uzyskuje się proste 1c, 2c, 3c, które w punktach przecięcia z prostą M h wyznaczają odpowiednie prędkości. Przy takim sposobie hamowania maszyna indukcyjna pracuje jako prądnica i przekazuje do sieci moc uzyskaną od napędzającego ją, opadającego ciężaru G. Jest to zaleta hamowania nadsynchronicznego; jego wadą jest możliwośd hamowania tylko przy dużych prędkościach obrotowych. Innym przypadkiem pracy prądnicowej jest praca silnika indukcyjnego przyłączonego do sieci i napędzanego powyżej prędkości synchronicznej np. za pomocą turbiny. Nie należy wówczas zmieniad kieruku obrotów a jedynie "dopędzid" silnik do prędkości ponadsynchronicznej. http://www.domelczu.scholaris.pl
Hamowanie dynamiczne (prądem stałym) Hamowanie dynamiczne realizuje się w ten sposób, że uzwojenie stojana odłącza się od napięcia, a następnie zasila się je z sieci prądu stałego, tak, aby wytworzyd stały strumieo magnetyczny. W wirniku wirującym w tym stałym polu indukują się napięcia i płyną prądy, które wytwarzają moment skierowany przeciwnie do kierunku wirowania wirnika. Wartośd tego momentu można regulowad zmieniając wartośd prądu stałego zasilającego stojan lub włączając odpowiednią rezystancję dodatkową Rd. Przy stosowaniu hamowania dynamicznego nie można doprowadzid do całkowitego zahamowania urządzenia, gdyż przy spadku prędkości napięcie indukowane w wirniku maleje i moment też się zmniejsza. Energia mechaniczna zamienia się całkowicie na ciepło w wirniku i ewentualnie połączonej z nim szeregowo rezystancji. Układy zasilania uzwojenia stojana przedstawione są rysunku. Źródłem prądu stałego jest najczęściej odpowiedni układ prostowniczy, zasilany z sieci przez transformator obniżający napięcie. Napięcie zasilające wynosi tylko kilka procent napięcia znamionowego silnika. Moc pobierana przez silnik przy hamowaniu dynamicznym jest znacznie mniejsza niż przy hamowaniu przeciwprądem. http://www.domelczu.scholaris.pl
Sprawnośd silników elektrycznych Silnik elektryczny przetwarza pobraną z sieci energię elektryczną na energię mechaniczną wydawaną na wale silnika. W procesie tym, na skutek strat w silniku, cześd pobieranej energii jest tracona w formie rozproszonego ciepła. Parametrem technicznym silnika, jednoznacznie określającym wielkośd strat w stosunku do przetwarzanej mocy jest jego sprawnośd. Generalnie jest ona definiowana jako: sprawność = moc mechaniczna wydawana na wale silnika / moc elektryczna pobierana przez silnik z sieci Sprawnośd silnika elektrycznego była zawsze uznawana za jeden z jego podstawowych parametrów świadczący o jego wartości technicznej i handlowej. Dlatego praktycznie od początku produkcji przemysłowej silników elektrycznych ich sprawnośd jest przedmiotem uregulowao normalizacyjnych. Celem tych uregulowao ma byd zapewnienie jednoznaczności, porównywalności i dokładności odnośnie do deklarowanej przez wytwórcę wartości sprawności silnika. W konsekwencji normy międzynarodowe (IEC) oraz normy poszczególnych krajów oprócz definicji sprawności silnika zawierają zalecenia dotyczące metod wyznaczania (pomiaru) wartości sprawności. Jak dotychczas celu tego me dało się w pełni osiągnąd. W skali światowej nie ma ujednolicenia norm w zakresie wyznaczania sprawności silników. Różne normy zalecają różne metody lub inną preferencje tych metod. Skutkuje to tym, że poprawnie wyznaczona sprawnośd tego samego silnika wg. zaleceo różnych norm ma najczęściej różne wartości
Do wyznaczenia sprawności silnika elektrycznego potrzebna jest znajomość wartości przynajmniej dwóch z trzech wielkości: P 1 moc pobierana przez silnik; P 2 moc wydawana przez silnik; P t - straty całkowite w silniku. Sprawność silnika oblicza się jednym z niżej podanych wzorów: W zakresie metod stosowanych do wyznaczania sprawności silników indukcyjnych istnieją dwa podstawowe dokumenty normalizacyjne: Norma europejska EN 60034-2 stanowiąca wprowadzenie normy międzynarodowej IEC 60034-2; Norma amerykańska IEEE 112.
Silniki energooszczędne cechy konstrukcyjne, sprawnośd Obserwując sytuację na rynku silników elektrycznych zauważamy stały proces poprawy parametrów produkowanych i sprzedawanych silników. Poniższy rysunek przedstawia zmianę osiąganej sprawności przez silniki asynchroniczne w latach 1944-1991. Osiągana poprawa sprawności silników w latach 1944 1991 źródło: G.A.Mc Coy, T.Litmann, J.G.Douglas Washington State Energy Office Olympia, Washington February 1992
Pomimo stałego wzrostu osiąganych sprawności na rynku dostępne są silniki znacznie odbiegające od ideału, a nowe wysokosprawne urządzenia z trudem zdobywają nabywców. Sprawnośd silnika elektrycznego była zawsze uznawana za podstawowy parametr świadczący o jego wartości technicznej i handlowej. Dlatego jest ona przedmiotem ścisłych uregulowao normalizacyjnych. Złożonym celem tych uregulowao jest zapewnienie jednoznaczności i dokładności odnośnie do deklarowanej przez wytwórcę wartości sprawności silnika. W konsekwencji normy międzynarodowe oraz normy poszczególnych krajów oprócz definicji sprawności silnika zawierają zalecenia dotyczące metod wyznaczania wartości sprawności. Jednak jak dotychczas w skali światowej nie ma ujednolicenia tych norm. Skutkuje to tym, że poprawnie wyznaczona sprawnośd silnika wg zaleceo różnych norm ma różne wartości. Dla przykładu podano wartości sprawności silnika o mocy 15 kw wyznaczonej wg różnych norm. Sprawnośd silnika indukcyjnego o mocy 15 kw wg różnych norm
Produkcję silników elektrycznych o podwyższonej sprawności wymusił na wytwórcach kryzys energetyczny z pierwszej połowy lat siedemdziesiątych. Obecnie silniki określane zamiennie jako HIGH EFFICIENT, SUPER EFFICIENT, lub PREMIUM EFFICIENT są oferowane przez wiele firm. Na świecie podejmowane są liczne działania mające na celu rozpowszechnianie stosowania silników energooszczędnych. Wśród liderów niewątpliwie pierwsze miejsce zajmują Stany Zjednoczone. W Unii Europejskiej starania o wprowadzenie do eksploatacji silników energooszczędnych podjęło Stowarzyszenie CEMEP definiując system klasyfikacji silników na trzy klasy sprawności: EFF3 sprawnośd standardowa, EFF2 sprawnośd ulepszona, EFF1 wysoka sprawnośd. Podział dotyczy silników trójfazowych indukcyjnych klatkowych budowy zamkniętej z chłodzeniem własnym w wykonaniu standardowym o zakresie mocy od 1,1 do 90 kw i bigunowościach 2p = 2 i 4 (prędkości synchroniczne 3000 i 1500 obr/min).
Silnik energooszczędny to silnik o zwiększonej sprawności. Poprawę sprawności można osiągnąd stosując następujące rozwiązania: Straty w uzwojeniu stojana w znamionowych warunkach pracy silnika wynoszą około 35 % całości strat. Straty te mogą zostad zmniejszone drogą zwiększenia przekroju przewodów miedzianych tworzących uzwojenie oraz poprzez skrócenie zakooczeo uzwojeo, które nie mają udziału w generacji mocy wyjściowej, ale mają udział w powstawaniu strat. Ponieważ straty w uzwojeniu zależą od stopnia obciążenia silnika, korzyśd ze zwiększenia przekroju przewodów miedzianych ujawnia się zwłaszcza przy wyższych obciążeniach. Stal magnetyczna jest najkosztowniejszym składnikiem silnika, więc każdy przyrost jej ilości jest niepożądany. Dla stali magnetycznej zaletami są niskie straty energetyczne magnesowania i rozmagnesowania oraz wysoka wartośd granicy nasycenia magnetycznego. Ograniczenie strat z powodu prądów wirowych następuje dzięki zmniejszeniu grubości blach tworzących obwód magnetyczny. Wpływ poprawy własności stali magnetycznej na sprawnośd silnika występuje zwłaszcza w dolnym zakresie jego obciążeo.
- Dobry projekt termiczny silnika służy skutecznemu odprowadzeniu generowanego wewnątrz silnika ciepła. Jest to zagadnienie skomplikowane ze względu na rozłożone w przestrzeni źródła ciepła i różne wartości przewodności cieplnych części składowych silnika. Nowe techniki modelowania matematycznego problemu pozwalają wyznaczyd pole temperatur pracy urządzenia, a to z kolei zoptymalizowad przepływ czynnika chłodzącego, czego konsekwencją jest możliwośd zmniejszenia tolerancji montażowych i tą drogą poprawy sprawności obwodu magnetycznego. Większośd silników elektrycznych jest chłodzonych przez przetłaczanie powietrza pomiędzy uzwojeniami za pomocą wentylatora zintegrowanego z wirnikiem silnika. Straty z tytułu tarcia aerodynamicznego mogą byd zmniejszone dzięki właściwemu zaprojektowaniu drogi przepływu powietrza chłodzącego i wirnika wentylatora. Duże znaczenie ma również właściwa technika montażu.
Reasumując szczególną uwagę przy projektowaniu, silników o podwyższonej sprawności powinno się zwrócid na: zwiększenie ilości miedzi w uzwojeniach silnika i aluminium w jego wirniku, poprawę rozwiązao konstrukcyjnych rdzeni i zwiększenie ich wymiarów geometrycznych, dążenie do poprawy rozwiązao układu wentylacyjnego i ułożyskowania, poprawę technologii wykonania w celu zmniejszenia rozrzutu produkcyjnego parametrów. Co odzwierciedlają cechy konstrukcyjne napędów energooszczędnych. Cechy konstrukcyjne energooszczędnych silników elektrycznych: 1. Powiększenie przekroju żłobków w stojanach dla umieszczenia większej ilości miedzi oraz poprawa kształtu zębów dla obniżenia strat dodatkowych; 2. Powiększenie ilości miedzi w stojanie i aluminium w wirniku w celu zmniejszenia strat czynnych w uzwojeniach; 3. Zastosowanie blachy elektrotechnicznej o mniejszej stratności i mniejszej grubości, przy równocześnie wydłużonym pakiecie w celu obniżenia strat w rdzeniu. Powoduje to wydłużenie obudowy silnika, ale nie zmienia jego wymiarów montażowych; 4. Zmniejszenie strat w miedzi i w rdzeniu umożliwia zmniejszenie średnicy wentylatora i obniżenie strat mocy na przewietrzanie silnika.
Silniki indukcyjne specjalne Silniki indukcyjne specjalne charakteryzują się przede wszystkim wybraną konstrukcją budowy, dobranymi parametrami technicznymi i użytkowymi oraz względami bezpieczeostwa Spośród niektórych wybranych silników indukcyjnych o budowie specjalnej, można wyróżnid: - silniki wielobiegowe; są maszynami o wirniku klatkowym. Prędkośd obrotową silnika zmienia się za pomocą zmiany liczby par biegunów wirującego pola magnetycznego. - silniki klatkowe o zwiększonym momencie rozruchowym; stosuje sie do napędu urządzeo o dużym momencie bezwładności lub dużym momencie obrotowym hamującym, - silniki dźwigowe klatkowe i pierścieniowe; przystosowane do różnych rodzajów pracy, służą do napędu dźwignic, - silniki samohamujące; stosowane w napędach wymagających szybkiego zatrzymania po cyklu pracy, lub po awaryjnej przerwie zasilania, - silniki o zwiększonym poślizgu; stosowane do napędu urządzeo współpracujących z kołem zamachowym, - silniki przeciwwybuchowe stosowane urządzeo w pomieszczeniach lub przestrzeniach zagrożonych wybuchem,
- silniki o budowie ognioszczelnej; mogą zawierad elementy iskrzące podczas pracy, - silniki o budowie wzmocnionej; nie mogą zawierad części iskrzących, a ich uzwojenia - przy największym prądzie w czasie pracy lub podczas stanu awaryjnego - nie mogą do chwili ich odłączenia osiągad temperatury wyższej niż dopuszczalna dla danej klasy temperaturowej, - silniki z osłoną gazową z nadciśnieniem; mają obudowy szczelne, napełnione czystym powietrzem lub gazem ochronnym obojętnym (np. azotem) pod ciśnieniem wyższym o co najmniej 50 Pa niż ciśnienie w otaczającym środowisku, - silniki o zwiększonej częstotliwości; są stosowane albo w celu uzyskania prędkości obrotowej większej niż 3000 obr/min, albo w celu zmniejszenia masy układu napędowego, - silniki liniowe płaskie; są przeznaczone do napędu urządzeo transportowych (wózków, przenośników taśmowych, suwnic), do bezpośredniego przemieszczania elementów stalowych, a także do napędu pojazdów trakcyjnych szynowych i bezszynowych, - silniki pierścieniowe synchronizowane; służą do napędu ścieraków w papierniach, młynów kulowych w cementowniach i innych urządzeo o trudnych warunkach rozruchowych, - silniki do wbudowania; nie maja własnej obudowy ani własnego wału. Uzwojony rdzeo stojana i wirnika jest wmontowany w maszynę współpracującą, - silniki kołnierzowe niskiego napięcia o wale pionowym lub poziomym o parametrach jak silniki wykonania podstawowego, - silniki cichobieżne; są przeznaczone do napędu urządzeo w środowisku, w którym jest wymagany niski poziom hałasu,
Silniki indukcyjne stosowane są w przemyśle do napędu pomp głębinowych, obrabiarek do drewna, zwalniaków hamulców hydraulicznych, podajników rolkowych, elektrowibratorów, wirówek cukrowniczych. Specjalne warunki pracy silników indukcyjnych mogą sprowadzad się do przypadkowych lub zamierzonych odchyleo napięcia i częstotliwości od wartości znamionowych. Nagrzewanie się silnika oraz trwałośd izolacji uzwojenia stojana zależy m.in. od prądu w uzwojeniu, który zmienia sie pod wpływem napięcia oraz częstotliwości.