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
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
prędkość synchroniczna, musi to być prędkość asynchroniczna, której silnik indukcyjny zawdzięcza swoja druga nazwę - silnika asynchronicznego. Wartość prędkości synchronicznej n1 liczymy jako: 60 f n1= (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: n1 n s = (2) n 1 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
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
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