Temat: Silniki indukcyjne o budowie specjalnej (dwuklatkowe, głęboko żłobkowe, jednofazowe, dwufazowe, liniowe). 1. Silniki dwuklatkowe i głębokożłobkowe. Zaletami silników klatkowych są: prosta budowa i związana z tymi duża pewność ruchu mały koszt łatwość obsługi Wady to: mały moment rozruchowy duży prąd rozruchowy Silniki pierścieniowe mają przy załączonej dodatkowej rezystancji w obwodzie wirnika: duży moment rozruchowy mniejszy prąd rozruchowy Wady to: znacznie droższe trudniejsze w eksploatacji Rozwiązaniem łączącym do pewnego stopnia zalety silnika klatkowego i pierścieniowego, są silniki dwuklatkowe i głębokożłobkowe, w których stosuje się specjalne wykonane uzwojenia wirnika. Uzwojenie wyjęte z wirnika w kształcie żłobka jak na rys. 6.38 przypomina jakby dwie klatki, jedna włożona w drugą. Stąd nazwa silnik dwuklatkowy. Klatkę zewnętrzną nazywa się klatką rozruchową, a wewnętrzną klatką roboczą lub klatką pracy. Klatka zewnętrzna, o małym przekroju, ma dużą rezystancję R 2r, klatka wewnętrzna ma większy przekrój prętów, a więc małą rezystancję R 2p. Jeżeli przez pręty klatek płynie prąd, to wokół prętów powstają strumienie rozproszone. Ze względu na ukształtowanie obwodu magnetycznego, wokół wewnętrznej klatki zamknie się dużo linii pola, a wokół zewnętrznej mniej, gdyż dla strumienia zamykającego się wokół wewnętrznej klatki reluktancja jest mała, natomiast znacznie większa od strumienia obejmującego klatkę zewnętrzną. Reaktancja rozproszona klatki pracy (wewnętrznej) jest znacznie większa od reaktancji rozproszenia X 2r klatki rozruchowej (zewnętrznej). str. 1
Przekroje prętów wirnika silników dwu- i wieloklatkowych mają różne kształty (rys. 6.39). Dwie klatki wykonuje się często w postaci odlewu z aluminium, a wówczas szczelina między obu klatkami jest również wypełniona tym metalem. W dużych i średnich maszynach pręty klatki rozruchowej wykonuje się z mosiądzu lub brązu, a pręty klatki pracy z miedzi, co pozwala na uzyskanie żądanych rezystancji. Wypieranie prądu występuje także w silnikach głębokożłobkowych, tzn. takich, w których pręty wirnika mają znacznie większą wysokość niż szerokość. Stosunek szerokości do wysokości żłobka wynosi 10 15. Jeżeli przez taki pręt umieszczony w żłobku płynie prąd przemienny, to powstaje strumień magnetyczny rozproszenia Φ r (rys. 6.40). Dolne warstwy pręta, znajdujące się na dole żłobka, mają znacznie większą reaktancję niż warstwy górne. Różnica ta jest szczególnie duża przy znacznej częstotliwości wirnika, a więc przy dużych wartościach poślizgu (analogicznie jak w silniku dwuklapkowym). Silniki głębokożłobkowe mają mniejszą niż klatkowe wytrzymałość mechaniczną. Z tego względu przy dużych mocach i prędkościach stosuje się silniki dwuklatkowe. Porównanie właściwości ruchowych silników indukcyjnych pierścieniowych, klatkowych, dwuklatkowych, głębokożłobkowych umożliwia rys. 6.42, na którym zestawiono charakterystyki mechaniczne silników o jednakowych początkowych prądach rozruchowych i jednakowych znamionowych stratach w uzwojeniu wirnika. str. 2
2. Silniki jednofazowe. Silniki indukcyjne jednofazowe są przystosowane do współpracy z siecią jednofazową napięcia przemiennego. Są stosowane głównie w napędach urządzeń rolniczych, w przemyśle lekkim i automatyce. Moc ich nie przekracza najczęściej 2 kw. ZASADA DZIAŁANIA W stojanie jest umieszczone uzwojenie wykonane jako skupione lub jako rozłożone, natomiast wirnik na ogół jest klatkowy. Prąd przemienny o częstotliwości f 1 doprowadzony do jednofazowego uzwojenia stojana wytwarza pole magnetyczne zmienne nieruchome w przestrzeni, które można rozłożyć na dwa pola kołowe wirujące w przeciwnych kierunkach. Te dwa pola magnetyczne składowe indukują w uzwojeniu klatkowym wirnika siły elektromotoryczne. Pod ich wpływem w uzwojeniach tych płyną prądy. Na skutek oddziaływania pól magnetycznych stojana z polami magnetycznymi wirnika wytworzone zostaną dwa momenty elektromagnetyczne składowe przedstawione na rys. 6.43. Jeżeli dodamy te momenty, to otrzymamy charakterystykę momentu silnika jednofazowego. Z przebiegu tej charakterystyki widać, że: silnik indukcyjny jednofazowy nie wytwarza początkowego momentu rozruchowego (przy n = 0; M r = 0) nie ma określonego kierunku wirowania silnik można uruchomić w obu kierunkach przez mechaniczne nadanie wirnikowi początkowej prędkości; przy której moment elektromagnetyczny rozwijany przez silnik jest nieco większy od momentu mechanicznego obciążającego silnik Silniki indukcyjne jednofazowe nie mają momentu rozruchowego. Silnik indukcyjny przy prędkości n / n N = 1 może rozwinąć moment elektromagnetyczny M r 0, jeżeli przy postoju wirnika (n = 0) zostanie wytworzone w maszynie pole magnetyczne wirujące kołowe lub eliptyczne. str. 3
2a) Silnik z fazą rozruchową rezystancyjną. Warunek: Wykonać uzwojenie dwufazowe i zasilić je prądami przesuniętymi o pewien kąt β. Jeżeli β = π/2 warunki będą najkorzystniejsze. Aby spełnić ten warunek, w stojanie umieszcza się uzwojenie dwufazowe wykonane w ten sposób, że uzwojenie fazy głównej U1 U2 zajmuje 2 / 3 liczby żłobków na obwodzie stojana, a pozostałe żłobki (1 / 3) zajmuje uzwojenie fazy rozruchowej, W1 W2. Osie uzwojeń fazy głównej i fazy rozruchowej są przesunięte o π/2. Uzwojenia obu faz są ze sobą połączone równolegle i są zasilane napięciem z jednej fazy (rys. 6.44). Przesunięcie czasowe prądu fazy rozruchowej I r względem prądu fazy głównej I g powstaje dzięki temu, że faza rozruchowa jest wykonana z cieńszego drutu niż faza główna i w związku z tym ma większą rezystancję. Rezystancję tę można powiększyć włączając dodatkowo w szereg z fazą rozruchową opornik R, wpływając w ten sposób na zwiększenie przesunięcia między prądami. Po dokonaniu rozruchu fazę rozruchową odłącza się, gdyż ze względu na dużą gęstość prądu w fazie tej powstają duże straty i przy dłuższej pracy mogła by ona ulec przepaleniu. Do wyłączania fazy rozruchowej służy wyłącznik automatyczny W 1, który najczęściej jest wyłącznikiem działającym na zasadzie siły odśrodkowej, osadzonym na wale wirnika. Styki tego wyłącznika włączone w obwód fazy rozruchowej otwierają się po osiągnięciu przez wirnik prędkości równej 0,7 0,8 prędkości znamionowej. Zmianę kierunku wirowania można uzyskać przez przełączenie fazy rozruchowej należy połączyć W1 z U2 oraz W2 z U1. 2b) Silnik z fazą rozruchową kondensatorową. Większy niż poprzednio moment rozruchowy można uzyskać zbliżając się do warunków, jakie są potrzebne, aby uzyskać pole wirujące kołowe. Możliwe jest to wówczas, gdy w fazie rozruchowej zastosujemy kondensator dobierając go tak, aby przesunięcie między prądami I r i I g wynosiło π/2 (rys. 6.45). Faza ta nazywa się fazą rozruchową kondensatorową i przy prędkościach n = 0,7n N wyłącznik odśrodkowy W 1 powinien ją wyłączyć. str. 4
2c) Silnik z pomocniczą fazą kondensatorową. W praktyce stosuje się również takie silniki, w których faza kondensatorowa jest na stałe włączona w czasie pracy silnika (rys. 6.46). Silnik taki nazywa się silnikiem z pomocniczą fazą kondensatorową. Można tak dobrać pojemność C, że w czasie pracy silnika uzyskuje się pole magnetyczne kołowe. Dzięki temu zmniejszają się straty, zwiększa się sprawność i znacznie wycisza się praca silnika oraz zwiększa cos φ, z jakim pracuje silnik. Aby pole było przez cały czas kołowe pojemność C powinna być zmieniana ze zmianą obciążenia silnika, co jest trudne do realizacji. Najczęściej więc dobiera się ją tak, aby pole kołowe istniało przy obciążeniu 0,8 P N. Aby uzyskać maksymalny moment rozruchowy pojemność włączona w czasie rozruchu powinna być kilkukrotnie większa od pojemności potrzebnej w czasie pracy do uzyskania pola kołowego przy 0,8 P N. Z tego względu silnik taki ma zwykle dwa kondensatory, z których C r jest za pomocą wyłącznika odśrodkowego wyłączany po rozruchu, a C jest stale włączony (rys. 6.46). Kondensatory potrzebne do rozruchu mają zwykle dużą pojemność (od kilkudziesięciu do kilkuset mikrofaradów) i dlatego są dość drogie. 2d) Silniki ze zwartą faza pomocniczą. Jednofazowe silniki indukcyjne małej mocy najczęściej są budowane jako silniki z tzw. zwartą fazą pomocniczą. Stojan takiego silnika jest zbudowany z pakietu blach o kształtach jak na rys. 6.47a lub b. Uzwojenie stojana jest wykonane w postaci cewek (rys. 6.47a) lub cewki (rys. 6.47b) osadzonych na biegunach wydatnych. str. 5
Jeżeli cewki są dwie, najczęściej są one połączone ze sobą w szereg. Każdy biegun jest podzielony na dwie nierówne części, z których mniejsza jest objęta miedzianym pierścieniem (zwojem zwartym). Pierścień ten spełnia rolę uzwojenia pomocniczego. Przez główną część przechodzi strumień główny Φ g wytworzony przez przepływ uzwojenia stojana θ g. Przez część bieguna objętą pierścieniem przechodzi strumień Φ p, proporcjonalny do geometrycznej różnicy przepływów uzwojenia stojana θ g i zwoju zwartego θ p. Przepływ θ p jest wytworzony przez prąd, płynący w zwartym pierścieniu pod wpływem napięcia indukowanego w nim przez strumień Φ p. Ponieważ strumienie Φ g i Φ p są przesunięte względem siebie w fazie (rys. 6.48), dają wypadkowe pole magnetyczne eliptyczne, które wytwarza moment rozruchowy. Początkowy moment rozruchowy takiego silnika jest zwykle mały, mniejszy od momentu znamionowego, a sprawność również mała 20 30 %. 3. Silniki dwufazowe. Silniki indukcyjne dwufazowe są stosowane jako tzw. silniki wykonawcze w układach automatycznego sterowania i regulacji. Dwa uzwojenia stojana są przesunięte względem siebie na obwodzie o kąt elektryczny π/2 (rys. 6.49). Jedno z nich jest nazywane uzwojeniem sterującym, a drugie uzwojeniem wzbudzającym. Wirnik silnika wykonawczego może być wykonany jako klatkowy, ale znacznie częściej stosuje się budowę kubkową (puszkową). str. 6
Silnik taki (rys. 6.50) ma nieruchomy stojan zewnętrzny i wewnętrzny, a jego wirnik zbudowany w postaci cienkościennego cylindra wiruje w szczelinie powietrznej między stojanem wewnętrznym i zewnętrznym. W celu uzyskania wymaganej rezystancji wirnika kubek jest wykonany najczęściej z mosiądzu, brązu lub aluminium z odpowiednimi dodatkami stopowymi (np. krzemem lub fosforem). W odniesieniu do tego silnika często używa się określeń: silnik kubkowy lub silnik Ferrarisa. Aby wystąpił początkowy moment rozruchowy, prąd sterowania i wzbudzenia muszą być przesunięte w fazie. W tym celu stosuje się różne sposoby zasilania silnika: zasilanie napięciami U U i U V przesuniętymi w fazie o kąt π/2 (sterowanie amplitudowe), zasilanie napięciami o stałych amplitudach, lecz ze zmianą kąta przesunięcia fazowego w zakresie od 0 do π/2 (sterowanie fazowe), zasilanie obu uzwojeń z sieci jednofazowej z regulacją amplitudy napięcia sterującego, przy czym w obwód wzbudzenia jest włączony kondensator (sterowanie amplitudowo-fazowe). Pole magnetyczne wytworzone przez prądy sterowania i wzbudzenia może być pulsujące, kołowe lub w ogólnym przypadku eliptyczne. 4. Silniki indukcyjne liniowe. Silnik indukcyjny liniowy jest to silnik, w którym następuje przemiana energii elektrycznej w energię mechaniczną ruchu postępowego. Silnik ten powstał z przekształcenia silnika indukcyjnego wirującego, przez przecięcie stojana i wirnika wzdłuż powierzchni bocznej walca i rozwinięcie ich na płaszczyźnie. W silniku wirującym mówi się o stojanie i wirniku, natomiast w silniku liniowym lepiej jest rozróżnić część pierwotną i część wtórną. Pojęcia obwodu pierwotnego i wtórnego są związane z kierunkiem przepływu energii. Nie mówią jednak one o tym, która część jest ruchoma. W silniku liniowym możliwy jest ruch jednej lub drugiej części, w zależności od wytworzenia siły o odpowiednim kierunku między tymi częściami. Bardziej rozpowszechniona jest konstrukcja, w której częścią ruchomą jest część pierwotna, zwana induktorem, a nieruchomą część wtórna, zwana bieżnikiem. W rozwiązaniach praktycznych część pierwotna jest zbudowana w formie pakietu blach z uzwojeniem trójfazowym (rozwinięty stojan maszyny wirującej), natomiast część wtórną stanowi ferromagnetyczna warstwa przewodząca (np. szyna aluminiowa) spełniająca rolę klatki (rys. 6.51). Jeżeli uzwojenie takiej maszyny zasilimy napięciem trójfazowym, to powstanie w niej wypadkowe pole magnetyczne wędrujące, które będzie ciągnęło za sobą bieżnik. Jeżeli rdzeń stojana i wirnika zostaną rozwinięte aż do utworzenia powierzchni płaskich i jeżeli pakiety rdzeni takiej maszyny płaskiej zostaną zwinięte wokół osi przechodzącej wzdłuż rozwiniętych rdzeni, to z takiego przekształcenia otrzymamy silnik indukcyjny tubowy (rys. 6.51c). str. 7
Ze względu na swoje właściwości silniki liniowe znalazły zastosowania tradycyjne do napędu: suwnic, drzwi przesuwanych, wyłączników, zaworów itp. oraz wykorzystujące ich specyfikację, np.: do napędu kolejek (rys. 6.52), taśmociągów, czółenka w krosnach tkackich, jako pompy ciekłego metalu (ciekły metal jest tu bieżnikiem), przy wytłaczaniu uderzeniowym itp. str. 8