Temat: Urządzenia rozruchowe i regulacyjne. I. Rozruch silników indukcyjnych. Rozruchem nazywamy taki stan pracy od chwili załączenia napięcia do osiągnięcia przez maszynę ustalonej prędkości określonej parametrami zasilania (napięciem i częstotliwością) i obciążenia (momentem hamującym). Rozruch silnika jest możliwy tylko wtedy, gdy istnieje nadwyżka momentu wytworzonego przez silnik M nad momentem obciążenia M h. Przy rozpatrywaniu jakości rozruchu bardzo istotna jest wartość prądu pobieranego z sieci w czasie rozruchu prąd ten nazywa się prądem rozruchowym I r, oraz wartość momentu rozwijanego przez silnik w chwili rozruchu moment ten nazywa się momentem rozruchowym M r (lub momentem początkowym). Na podstawie uproszczonego schematu zastępczego silnika w stanie zwarcia (s = 1) określamy: prąd rozruchowy pobierany z sieci przybliżoną wartość prądu silnika pracującego w warunkach znamionowych Z porównania tych dwóch zależności wynika, że prąd pobierany podczas rozruchu ze zwartym uzwojeniem wirnika jest kilkukrotnie większy od prądu znamionowego (I r = 4 10I N ). Rozruch bezpośredni, polegający na zasileniu silnika pełnym napięciem znamionowym, można stosować tylko przy silnikach małych. Dla silników większych mocy stosuje się różne sposoby poprawy warunków rozruchu silnika. Dąży się do tego, aby w czasie rozruchu: zmniejszyć prąd rozruchowy, ale jednocześnie (o ile to możliwe) powiększyć moment rozruchowy. Można to osiągnąć następującymi metodami: przez zmianę napięcia zasilania uzwojenia stojana (za pomocą przełącznika gwiazda-trójkąt. autotransformatora lub transformatora) przez włączenie rezystancji lub reaktancji dodatkowej w obwód wirnika przez włączenie rezystancji lub reaktancji dodatkowej w obwód stojana przez zmianę częstotliwości napięcia zasilającego uzwojenie stojana Stąd wynikają najczęściej stosowane w praktyce sposoby rozruchu silników indukcyjnych. str. 1
1. Rozruch za pomocą rozrusznika. Ten sposób rozruchu można stosować tylko dla silników pierścieniowych. Polega on na włączeniu w obwód uzwojenia wirnika nastawianej (płynnie lub skokowo) rezystancji dodatkowej, nazywanej rozrusznikiem. Silnik przyłącza się do sieci zasilającej z włączonym w obwód wirnika rozrusznikiem nastawionym na największą rezystancję (położenie 4 na rys. 6.26b). Po osiągnięciu odpowiedniej prędkości obrotowej należy przełączyć rozrusznik na następny stopień (położenie 3) i kolejno aż do zwarcia rozrusznika. Przełączenia powinny następować w takiej chwili, aby nie pojawił się prąd większy niż początkowy prąd rozruchowy. str. 2
Przy przedwczesnym przełączeniu z jednego na drugi nastąpiłoby niepożądane, nadmierne uderzenie prądu i nagłe zwiększenie momentu obrotowego. Byłoby to przyczyną gwałtownych przyspieszeń i niespokojnej pracy maszyny. Zbyt późne przełączenie z jednego stopnia na drugi powoduje wydłużenie czasu rozruchu. Od właściwego doboru rozrusznika i sposobu posługiwania się nim zależy przebieg zjawiska przy rozruchu (rys. 6.26c). Im większa jest liczba stopni rozrusznika, tym płynniejszy i krótszy jest rozruch. Sterowanie urządzeniem rozruchowym może być ręczne lub automatyczne. 1b. Przeznaczenie rozruszników. Rozruszniki są przeznaczone do pracy dorywczej lub przerywanej (tylko w czasie rozruchu) i dlatego oblicza się je pod względem cieplnym na krótki czas pracy. Należy pamiętać, że nie można używać rozrusznika do pracy ciągłej, gdyż groziłoby mu nadmierne nagrzanie i uszkodzenie. 1c. Samorozruch silników indukcyjnych. Nawet przy krótkotrwałym zaniku lub znacznym obniżeniu napięcia następuje zmniejszenie się prędkości obrotowej i silnikowi grozi utknięcie. Jeżeli czas trwania zaniku napięcia jest krótszy od czasu potrzebnego silnikowi na zatrzymanie się od chwili wyłączenia silnika z sieci, to w określonych warunkach jest możliwe utrzymanie silnika w ruchu i w miarę wzrostu napięcia powrót do normalnego stanu pracy po pewnym czasie. Proces ten nazywamy samo rozruchem silnika. 2. Rozruch za pomocą przełącznika gwiazda trójkąt. Przełącznik gwiazda trójkąt może być używany do rozruchu tylko takich silników indukcyjnych, które mają wyprowadzone na tabliczkę znamionową sześć końcówek uzwojenia stojana. Napięcie sieci zasilającej powinno być równe napięciu znamionowemu uzwojenia stojana połączonego w trójkąt. 2a. Zasada działania. Silnik załącza się do sieci przy ustawieniu przełącznika na rozruch w takim położeniu, przy którym uzwojenie stojana jest połączone w gwiazdę (rys. 6.27a). Wirnik silnika zaczyna wirować. W chwili, gdy ustali się prędkość obrotowa wirnika, przełącznik należy przełączyć w położenie, przy którym uzwojenie stojana zostanie połączone w trójkąt. Zmiany momentu oraz prądu pobieranego przez silnik z sieci w czasie takiego rozruchu przedstawionego na rys. 6.27b. Po podłączeniu w gwiazdę i właściwym doborze silnika, napięcie każdej fazy uzwojenia stojana jest 3 - krotnie mniejsze niż napięcie znamionowe. Prąd pobierany w tym stanie sieci jest więc w przybliżeniu 3 krotnie mniejszy niż prąd, jaki popłynąłby w przypadku połączenia w trójkąt. Moment rozruchowy jest również w przybliżeniu 3 krotnie mniejszy niż moment powstający przy połączeniu w trójkąt. Ten sposób rozruchu stosuje się tylko do rozruchów lekkich (silnik obciążony niewielkim momentem hamującym). str. 3
3. Rozruch za pomocą autotransformatora. Układ połączeń do rozruchu za pomocą transformatora lub autotransformatora przedstawiono na rys. 6.28. Transformatory stosowane do tego celu mają stałą lub nastawialną (płynnie lub skokowo) przekładnię napięciową n u. Napięcie sieci zasilającej powinno być równe napięciu znamionowemu stojana. 3a. Zasada działania. Rozruch silnika rozpoczyna się przy nastawieniu wartości napięcia odpowiadającej przyjętemu nieprzekraczalnemu prądowi rozruchowemu zamykając wyłączniki W1, W2, W3 przy otwartym wyłączniku W4. Następnie, jeżeli transformator ma regulowaną przekładnię, stopniowo powiększa się napięcie zasilające silnik do wartości znamionowej. str. 4
Po ustaleniu się prędkości silnika, otwiera się wyłącznik W2 i W3, zamykając natychmiast wyłącznik W4. W tym przypadku napięcie zasilające silnik U r jest niższe od napięcia sieci U. 1 Moment rozruchowy 1 jest razy mniejszy od momentu przy pełnym napięciu, a prąd hamulcowy: 1 jest n u razy mniejszy od prądu płynącego w uzwojeniach silnika w czasie rozruchu przy pełnym napięciu. Prąd płynący zaś w uzwojeniu pierwotnym autotransformatora, czyli prąd pobierany z sieci: 1 1 jest razy mniejszy od prądu płynącego podczas rozruchu bezpośredniego. Wniosek. Stosując do rozruchu autotransformatora o przekładni n u2 uzyskuje się zmniejszenie momentu rozruchowego razy, co jest wadą tej metody rozruchu oraz zmniejszenie prądu pobieranego z sieci razy, co jest zaletą. Jednocześnie n u razy zmniejsza się prąd płynący w uzwojeniach silnika. 4. Rozruch za pomocą rezystancji włączonej w obwód stojana. Ten sposób rozruchu jest stosowany tylko w przypadku silników małej mocy, ponieważ uzyskuje się tu ograniczenie prądu rozruchowego, ale jednocześnie bardzo znaczne zmniejszenie momentu rozruchowego. II. Zmiana kierunku wirowania i regulacja prędkości. 1. Aby zmienić kierunek wirowania wirnika silnika indukcyjnego, należy więc zmienić kierunek wirowania pola magnetycznego w maszynie. Aby to uzyskać należy zmienić kolejność faz sieci zasilającej silnik. 2. Prędkość obrotowa wirnika silnika indukcyjnego będzie się zmieniała, jeżeli zmienia się jedna z wielkości: częstotliwość napięcia zasilającego liczba par biegunów magnetycznych poślizg 3. Regulacja prędkości przez zmianę częstotliwości napięcia zasilającego. Zmieniając częstotliwość zasilania f 1, regulujemy prędkość wirowania pola magnetycznego, a w konsekwencji prędkość wirowania wirnika. Sposób ten umożliwia regulację prędkości płynną lub skokową w zakresie od prędkości równej zeru do prędkości maksymalnej dopuszczalnej ze względów wytrzymałościowych. W większości przypadków jest pożądane zachowanie stałej wartości strumienia, dlatego regulując częstotliwość f 1 należy tak zmieniać wartość napięcia zasilającego, aby / (rys. 6.29b). Sposób ten wymaga oddzielnego źródła zasilania o regulowanej częstotliwości. Metoda ta staje się coraz bardziej popularna. str. 5
Regulacja prędkości przez zmianę częstotliwości napięcia zasilającego polega na zastosowaniu półprzewodnikowych regulatorów mocy, zwanych falownikami. 4. Regulacja prędkości przez zmianę liczby par biegunów. Regulacja prędkości przez zmianę par biegunów można osiągnąć stosując: dwa niezależne uzwojenia w stojanie o różnych liczbach biegunów magnetycznych jedno uzwojenie, które można przełączać tak, aby wytwarzało pola o różnych liczbach par biegunów 4a. Umieszczenie w stojanie dwóch niezależnych uzwojeń o różnych liczbach par biegunów umożliwia skokową regulację prędkości obrotowej (dwie prędkości) przez zmianę uzwojenia przyłączonego do sieci zasilającej. Ten sposób regulacji jest stosowany tylko w silnikach klatkowych, gdyż klatka sama dostosowuje się pod względem liczby par biegunów do liczby par biegunów uzwojenia stojana. 4b. Umieszczenie dwóch uzwojeń wpływa na powiększenie wymiarów silnika i gorsze wykorzystanie materiału. 4c. Silniki, w których dokonuje się regulacji prędkości obrotowej przez zmianę liczby par biegunów magnetycznych nazywamy wielobiegunowymi. Znalazły one szerokie zastosowanie szczególnie do napędu obrabiarek. Koszt silnika czterobiegunowego jest większy niż kosz silnika zwykłego o takiej samej mocy, a mimo to stosowanie go w różnych napędach jest opłacalne. 5. Regulacja prędkości przez zmianę rezystancji w obwodzie wirnika (zmianę poślizgu z jakim pracuje silnik). str. 6
Jeśli silnik pracuje ze zwartymi pierścieniami (R d = 0) i napędza maszynę roboczą o stałym momencie hamującym M h niezależnym od prędkości obrotowej (rys. 6.30), to po włączeniu rezystancji dodatkowej R d1 w obwód wirnika ustali się nowy punkt pracy 1 przy prędkości obrotowej wirnika zmniejszonej do wartości n I. Dalszy wzrost rezystancji do wartości R d2 spowoduje dalsze zmniejszenie prędkości obrotowej do wartości n II. Ten sposób regulacji jest nieekonomiczny, ponieważ w rezystorach regulacyjnych występują duże straty mocy. Stosuje się go w szerszym zakresie prędkości tylko dla małych silników, natomiast w silnikach dużych tylko do regulacji prędkości w zakresie 10 15 %. 6. Regulacja prędkości przez zmianę napięcia zasilającego (zmianę poślizgu, z jakim pracuje silnik). Przy stałym momencie hamującym M h, na zmianę poślizgu z jakim pracuje silnik, można także wpłynąć przez zmianę napięcia zasilającego U 1. Poślizg krytyczny s k, przy którym występuje moment krytyczny M k, nie zmienia się, ale zmianie ulega wartość tego momentu. Na rys. 6.31 pokazano przebieg zmian prędkości przy obciążeniu stałym momentem hamującym M h = M N, przy zmianach napięcia zasilającego. Punkt pracy 1 znajduje się na charakterystyce naturalnej w przecięciu z prostą M h = M N ; odpowiada mu prędkość znamionowa n N. Punkty 2 i 3 są odpowiednio punktami pracy przy obniżonych napięciach; odpowiadają im prędkości obrotowe n 2 i n 3. Przy napięciu obniżonym do 0,7U N moment krytyczny M k = M N. Jest to więc graniczna krzywa, wyznaczająca dla M h = M N zakres regulacji prędkości w granicach, co odpowiada zakresowi poślizgów. Oznacza to, że zakres regulacji prędkości obrotowej przez zmianę napięcia zasilającego wynosi niewiele ponad 10 % w dół od prędkości znamionowej. Ten sposób regulacji prędkości obrotowej nie jest więc korzystny. Zakres regulacji jest bardzo mały, a dodatkowo silnikowi grozi utknięcie na skutek zmniejszenia się przeciążalności. W praktyce ten sposób regulacji prędkości obrotowej silnika indukcyjnego prawie nie jest stosowany. WNIOSEK: Silniki indukcyjne w porównaniu z innymi silnikami (np. silnikami prądu stałego) mają małe możliwości regulacji prędkości obrotowej. Jest to jedna z wad tych silników. Dopiero szersze stosowanie techniki półprzewodnikowej (do regulacji częstotliwości napięcia zasilającego) spowoduje wyeliminowanie tej wady. str. 7
III. Hamowanie. 1. Przy trójfazowym zasilaniu silnika indukcyjnego możemy zastosować jeden z trzech rodzajów hamowania: a) Hamowanie naturalne (praca hamulcowa) zwana także hamowaniem przeciwprądem lub hamowaniem prądem sieci, występujące przy prędkości wirowania przeciwnej do kierunku wirowania pola magnetycznego, b) Hamowanie prądnicowe (ze zwrotem energii do sieci) zwane nadsynchronicznym, które występuje przy prędkości wirnika większej od prędkości wirowania pola magnetycznego c) Hamowanie dynamiczne hamowanie prądem stałym Ad. a) Hamowanie naturalne Hamowanie przeciwprądem występuje wówczas, gdy wirnik jest napędzany w kierunku przeciwnym do kierunku wirowania pola magnetycznego. Stan taki może wystąpić wówczas, gdy moment M wytworzony w silniku stanie się mniejszy od momentu hamującego M h na skutek włączenia dużej rezystancji w obwód wirnika. Na rys. 6.32 pokazano układ połączeń silnika pierścieniowego napędzającego dźwig podnoszący ciężar. Na rys. 6.33 krzywa 1a jest charakterystyką mechaniczną naturalną n = f(m) silnika, a proste 2a, 3a i 4a są charakterystykami mechanicznymi przy dodatkowych, coraz to większych rezystancjach włączonych w obwód wirnika. str. 8
Można tak zwiększyć rezystancję w wirniku, że maszyna przejdzie na charakterystyki odpowiadające prostym 1b, 2b itd. Po przejściu przez 0 prędkość 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 pracować z poślizgiem s > 1. Moc pobierana przez maszynę pracującą w tym zakresie jest zużyta na straty. Większość tych strat wydziela się w oporniku regulacyjnym w postaci ciepła, co jest poważną wadą tego sposobu hamowania. Ad. b) Hamowanie prądnicowe Hamowanie prądnicowe może wystąpić np. przy opuszczaniu ciężaru w dół za pomocą silnika normalnie podnoszącego ciężar do góry. Do zrealizowania tego sposobu 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 zależność M = f(n) ma przebieg jak na rys. 6.33. Moment jest równy 0, czyli maszyna wiruje synchronicznie przy prędkości n 1. 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 możliwość hamowania tylko przy dużych prędkościach obrotowych. Ad.c) 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 wytworzyć stały strumień magnetyczny. W wirniku wirującym w tym stałym polu indukują się napięcia i płyną prądy, które wytwarzają moment skierowany przeciwnie do kierunku wirowania wirnika. Wartość tego momentu można regulować zmieniając wartość prądu stałego zasilającego stojan lub włączając odpowiednią rezystancję dodatkową R d. Układy zasilania uzwojenia stojana przedstawiono na rys. 6.34. Źródłem prądu stałego jest najczęściej odpowiedni układ prostowniczy, zasilany z sieci przez transformator obniżający napięcie. Moc pobierana przez silnik przy hamowaniu dynamicznym jest znacznie mniejsza niż przy hamowaniu przeciwprądem. str. 9