Elektrotechnika i elektronika

Elektrotechnika i elektronika Metalurgia, Inżynieria Materiałowa II rok Silnik indukcyjny (aynchroniczny) Materiały do wykładów Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemyłowych AGH Kraków 2004

1. Wtęp Mazyny indukcyjne ą mazynami prądu przemiennego. Natępuje w nich przetwarzanie energii elektrycznej w energię mechaniczną (praca ilnikowa mazyny) lub energii mechanicznej w elektryczną (praca generatorowa mazyny). Mazyny indukcyjne mają protą budowę i w związku z tym charakteryzują ię dużą niezawodnością, łatwością obługi oraz małym koztem. Z tych powodów ą one zeroko toowane w różnych dziedzinach techniki, najczęściej jako ilniki, rzadziej jako prądnice. 2. Podtawy fizyczne działania ilnika indukcyjnego. Podcza przepływu prądu elektrycznego przez przewodnik wytwarza i ę wokół niego pole magnetyczne. Kierunek linii ił tego pola wyznaczony może być zgodnie z regułą śruby prawokrętnej, lub za pomocą prawej dłoni, której kciuk wkazuje kierunek przepływu prądu, zaś zagięte cztery pozotałe palce kierunek linii pola magnetycznego. Sytuację tą przedtawia poniżzy ryunek. Ry. 1 Pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem. Silnik indukcyjny materiały do wykładów. 2

Schematycznie kierunek przepływu w przekroju przewodnika oznacza ię krzyżykiem albo kropką. Ry. 2 Schematyczne przedtawienie kierunku przepływu prądu w przewodniku. Jeżeli prąd będzie wpływał do przewodnika, od trony oberwatora, fakt ten będzie oznaczony krzyżykiem (na ryunku 1 od trony ręki). Natomiat jeżeli będzie natępował przepływ prądu w tronę oberwatora, to oznaczeniem będzie kropka. Załóżmy że do dwóch kawałków przewodnika tworzącego układ tak jak na ryunku 3a, przyłożone zotało napięcie U. W takim obwodzie popłynie zatem prąd I, wpływając do górnego przewodnika (punkt 1 co umownie obrazuje krzy żyk) i wypływając (punkt 2, umowna kropka) z dolnego z powrotem do źródła napięcia U. Wokół obu przewodników dolnego i górnego wytworzone zotanie pod wpływem przepływającego prądu pole magnetyczne. Kierunek linii ił tego pola, zgodny z przedtawioną wcześniej regułą, zotał zaznaczony czerwonymi trzałkami. W układzie takim wytworzone zotają zatem dwa bieguny magnetyczne (jedna para). a) I b) I 1 N S U 2 Ry. 3 Pole magnetyczne w układzie dwóch równoległych przewodników z prądem. Na ryunku 3b pokazany zotał ten am obwód w widoku z przodu. Widać iż pomiędzy przewodnikami, ze względu na zgodne kierunki linii ił pola wytworzone zotaną bieguny magnetyczne (S i N). Silnik indukcyjny materiały do wykładów. 3

3. Budowa i zaada działania trójfazowego ilnika indukcyjnego. Silnik indukcyjny (aynchroniczny) kłada ię z dwóch podtawowych części nieruchomego tojana (inaczej zwanego tatorem) i ruchomego wirnika (rotora). Działanie tego ilnika oparte jet na zjawiku indukcji elektromagnetycznej. Pod wp ływem przyłożonego do uzwojeń tojana zmiennego napięcia i wywołanego tym przepływu prądu, wytworzone zotaje w tojanie wirujące pole magnetyczne. Dzięki temu w metalowym, przewodzącym wirniku indukuje ię iła elektromotoryczna (napięcie) powodująca przepływ przez wirnik prądu, powtanie iły i ruch obrotowy wirnika. Szczegółowo zaada działania ilnika aynchronicznego zotanie wyjaśniona w dalzej części intrukcji. Najpowzechniej w praktyce potykaną odmianą tych ilników ą ilniki trójfazowe. Od trony zailania ieć trójfazową tworzą trzy źródła inuoidalnego napięcia zailającego, przy czym przeunięcie fazowe między kolejnymi napięciami wynoi 120 0 2π ( ). 3 3.1 Stojan ilnika indukcyjnego. Schematycznie budowę tojana w ilniku trójfazowym można przetawić jako układ trzech przewodzących ramek, zwojów takich jak na ryunku 3. Początki tych ramek oznaczone ą kolejno: U, V, V, zaś końce: X, Y i Z. Ramki te umiezczone ą tworząc walec, tak jak na ryunku 5. Krawędzie podtaw tego walca zaznaczono fioletową przerywaną linią. Każda z tych ramek tworzy uzwojenie jednej fazy. Oczywi ście w praktyce nawinięte ą one wielokrotnie drutem, lub w przypadku więkzych mocy taśmami lub nawet pawane z rur miedzianych. Jednak tu dla janości opiu przetawione ą one w uprozczeniu. Ry. 4 Schematyczny układ uzwojeń tojana ilnika aynchronicznego. Każdej parze przewodników, tworzących jedną ramkę odpowiada inny kolor. Ten układ przetrzenny widziany z przodu przedtawiony jet na ryunku 5. Jak wida ć, wzytkie zwoje ą roztawione na okręgu co 60 0. Silnik indukcyjny materiały do wykładów. 4

U Y Z W V X Ry. 5. Schematyczny przekrój tojana układ uzwojeń tojana z ryunku 4 widziany z przodu. Do każdej z tych ramek dołączone zotaje jedno źródło napięcia inuoidalnego, kolejno: U A, U B oraz U C, według odpowiednich oznaczeń końcówek, tak jak na ryunku 6. U V W U A U B U C X Y Z Ry. 6 Symboliczne oznaczenia źródeł napięcia. Napięcie w każdym ze źródeł jet przeunięte względem poprzedniego o 120 o, tak jak na ryunku 7, tworząc układ trójfazowy. Ry. 7 Przebieg napięć w układzie trójfazowym. Silnik indukcyjny materiały do wykładów. 5

Podłączenie do tego układu wpomnianych napięć powoduje przepływ prądu w każdym z przewodników i powtanie wewnątrz tego walca pola magnetycznego. Prześledźmy zwrot wypadkowego trumienia wewnątrz tego chematycznego tojana ilnika dla chwili czaowe oznaczonej na ryunku 7 jako 1. Widać, iż napięcie U A jet dodatnie, a zatem w przyłączonej do tego parze przewodników prąd będzie płynął natępująco: wpłynie początkiem tego uzwojenia (końcówką U) i wypłynie końcówką X. A zatem na chematycznym przekroju kierunek prądu zotanie przedtawiony jako krzyżyk w punkcie U oraz kropka w punkcie X. W przypadku napięcia U C, które w chwili czaowej 1 również jet dodatnie, ytuacja będzie podobna. Prąd w tej fazie będzie wpływał początkiem uzwojenia czyli w punkcie W i wypływał końcem Z. W przypadku napięcia U C, które w tej amej chwili jet ujemne, ytuacja będzie odwrotna, tj. prąd dla tej fazy wpływał końcem uzwojenia czyli przez punkt Y, natomiat wypływał będzie przez punkt V. Efektem przepływu prądu przez każdy z tych przewodników będzie powtanie wokół nich pola magnetycznego według zaprezentowanej w punkcie drugim reguły. Schematycznie ytuacja ta przedtawiona jet na ryunku 8. U S W V Ry. 8 układ linii ił pola magnetycznego w tojanie dla chwili czaowej 1 przedtawionej na ry. 7. Zaznaczono także początki uzwojeń (U, V, W). Zgodność kierunków linii pola magnetycznego wokół przewodów do których wpływa w tej chwili prąd (co oznaczone jet ymbolem X ) powoduje ię ich dodanie, podobnie jak w przypadku pozotałych trzech z których prąd wypływa. Powtanie zatem, jak w przypadku pojedynczej ramki, wypadkowy trumień magnetyczny. Kierunki linii ił pola magnetycznego można przypiać wypadkowemu magneowi, którego bieguny S i N także zotały zaznaczone na ryunku. Ponieważ układ ten zailany jet napięciem zmiennym, należy prawdzić jakie będą dalze zmiany wypadkowego trumienia magnetycznego. Przeprowadzenie podobnej analizy dla chwili czaowej zaznaczonej na ryunku 7 jako 2 da efekt przedtawiony na ryunku 9. Silnik indukcyjny materiały do wykładów. 6

U Ry. 9 - układ linii ił pola magnetycznego w tojanie dla chwili czaowej 2 przedtawionej na ry. 7. N S W V W tym przypadku napięcie U A ma nadal, jak poprzednio, wartość dodatnią, przez co dla tej fazy ytuacja nie ulega zmianie. Również nie ulega zmianie ytuacja dla fazy B, ponieważ napięcie U B podobnie jak poprzednio ma wartość ujemną. Natomiat zmiana natępuje dla fazy C, z uwagi na to iż napięcie U C zmieniło znak z dodatniego na ujemny. Widać iż wypadkowe linie ił pola magnetycznego zmieniły woje położenie, a za nimi zmieniły woje położenie bieguny magnetyczne wpomnianego magneu. W ciągu jednego pełnego okreu napięcia ieciowego, od 0 do 360 o natąpi jeden pełny obrót tego wypadkowego trumienia (o kąt 2π). W układzie tym każda z ramek tworzy dwa bieguny magnetyczne (jedną parę). Oczywiście analiza ta cechuje ię znacznymi uprozczeniami, ponieważ zmienia ię nie tylko położenie wypadkowego wektora pola magnetycznego, ale także i jego amplituda, niemniej do tego zakreu materiału jet to wytarczające. Liczbę biegunów magnetycznych w takim układzie można zwiękzyć dwukrotnie np. poprzez przecięcie każdej z tych ramek na dwie zeregowo połączone części. I np. dla fazy A będą one oznaczone U X oraz U X. W efekcie powtanie układ przedtawiony na ryunku 10. Y' U Z W' V X' X V' Z' U' Y W Ry. 10 układ uzwojeń tojana dla podwojonej liczby biegunów. W takim przypadku w ciągu jednego okreu napięcia ieciowego wektor wypadkowego trumienia magnetycznego w tym walcu obróci ię o kąt π (180 0 ). Zatem prędkość kątowa wypadkowego trumienia magnetycznego, przy danej czętotliwości napięcia zailającego f, wynieie: 2πf ω =, p gdzie p oznacza liczbę par biegunów magnetycznych (dla jednej fazy). Jak wpomniano, dla przypadku z ryunku 6, p=1, zaś dla ryunku 10, p=2. Silnik indukcyjny materiały do wykładów. 7

Prędkość ω wirowania pola magnetycznego w tojanie nazywana jet tak że prędkością ynchroniczną (i oznaczana jako ω ), ze względu na to iż narzucana jet czętotliwością napięcia zailającego. W Polce, gdzie f = 50 Hz, dla p=1 można wyliczyć iż ω = 2πf = 100 π [rad/ ]. Daje to prędkość obrotową n wyrażoną w obrotach na minutę równą: 30ω 3000 π n = = = 3000 obr/ min. π π Dla p =2 prędkość n = 1500 obr/ min., dla p=3, n = 1000 obr /min. itd. 3.2 Wirnik ilnika indukcyjnego. Załóżmy że do tak kontruowanego tojana wprowadzi ię ułożykowany wirnik złożony z dwóch równoległych przewodników (w kztałcie prętów) połączonych początkami i końcami, przedtawiony na ryunku 11. l Ry. 11 Schematyczna kontrukcja wirnika. Po podłączeniu do tojana napięcia trójfazowego, tak jak w punkcie 3.1, wytworzone zotanie w nim wirujące pole magnetyczne. Przecinając umiezczone wewnątrz tojana przewodzące dwa pręty wirnika, pole to powoduje indukowanie ię w nich iły elektromotorycznej, zgodnie z prawem indukcji Faraday a: dφ SEM = - dt Ponieważ pręty te zwarte ą końcami, tworzą zamknięty obwód elektryczny. W obwodzie tym popłynie więc prąd elektryczny (o natężeniu I). W efekcie na przewodzące pręty wirnika, o określonej długości (oznaczonej na ryunku 11 literą l) w polu magnetycznym o indukcji B, będzie działać iła elektrodynamiczna, zgodnie z prawem Ampere a: F = I B l = B I l in (I, B). Silnik indukcyjny materiały do wykładów. 8

Gdzie: in(i, B) inu kąta zawartego pomiędzy wektorem indukcji a umownym kierunkiem płynącego prądu. Kierunek tej iły będzie zgodny z kierunkiem ruchu pola wirującego. Można go wyznaczyć można korzytając z reguły lewej dłoni, którą należy utawić tak aby linie ił pola magnetycznego wchodziły w wewnętrzną tronę dłoni, a wyciągnięte cztery palce pokazywały kierunek i zwrot płynącego prądu. Wtedy wyciągnięty kciuk wkaże kierunek i zwrot iły elektrodynamicznej. Pod wpływem iły działającej na te przewodniki, oparte na ramieniu o długości r, wytworzy ię moment iły M = F r, powodujący ruch obrotowy wirnika wokół oi obrotu (zaznaczonej na ryunku 11 niebieką przerywaną linią). Aby więc powtał moment napędowy w ilniku indukcyjnym, mui zachodzić przecinanie prętów uzwojenia wirnika przez linie ił wirującego pola magnetycznego. Jeśli n = n wirnik będzie dla pola tojana nieruchomy. Zatem prędkość wirowania wirnika (n) mui być mniejza od prędkości pola wirującego (prędkości ynchronicznej n ). Stąd też ilniki indukcyjne nazywane ą także aynchronicznymi. Względną różnicę prędkości n pola wirującego (prędkości ynchronicznej) i prędkości wirnika nazywa ię poślizgiem. = n n n = ω ω ω lub w procentach: = n n n * 100% = ω ω ω *100% Operując poślizgiem można określić także prędkość wirnika w natępujący poób: n = n n, a tąd: n = n (1 - ). Poślizg ilnika przy obciążeniu znamionowym z reguły ma wartość rzędu kilu procent (z reguły w granicach 1,0 do 10%) i jet tym mniejzy, im więkza jet moc znamionowa ilnika. W początkowym momencie rozruchu, gdy wirnik jet jezcze nieruchomy, poślizg jet równy jeden (lub procentowo =100%). Na biegu jałowym ilnika (bez obciążenia) poślizg jet bardzo mały, rzędu 0,5 1%. Definiuje ię także poślizg bezwzględny, będący różnicą prędkości wirowania pola w tojanie i prędkości obrotowej wirnika. Dla n = n, np. w przypadku napędzania ilnika innym ilnikiem, to poślizg = 0. Jeśli będziemy zewnętrznym ilnikiem zwiękzać prędkość wirowania ilnika indukcyjnego zailanego z ieci, ponad prędkość ynchroniczną, to zacznie on pracować jako prądnica (wejdzie w zakre pracy generatorowej) i oddawa ć energię do ieci zailającej. Silnik indukcyjny materiały do wykładów. 9

3.3 Kontrukcja ilników indukcyjnych. Elementy kontrukcyjne ilnika, tj. podtawę i obudowę tanowiące kadłub mazyny wykonuje ię jako odlew (żeliwny lub ze topu aluminiowego). W więkzych mazynach jet to z reguły kontrukcja pawana. W kadłubie umiezczany jet rdzeń tojana. Właściwe położenie wirnika w tojanie mazyny zapewniają dwie tarcze łożykowe- w których oadzone ą łożyka. Ry. 12 - Widok ilników indukcyjnych małej mocy (kilka kw). 3.3.1 Stojan ilnika indukcyjnego. Powietrze jet dla pola magnetycznego złym przewodnikiem, zatem konieczna jet minimalizacja trat pola elektromagnetycznego wytworzonego przez uzwojenia tojana. Uzwojenie to zatem umiezcza ię w pecjalnym rdzeniu. Buduje ię go z cienkich, odizolowanych od iebie jak kolejne platry, blach elektrotechnicznych. Cienkie blachy minimalizują traty od prądów wirowych; byłyby one znacznie więkze gdyby tojan wykonano np. jako jeden odlew talowy. Natępnie na wewnętrznej powierzchni takiego rdzenia wycina ię żłobki w których prowadzone jet uzwojenie. Schematyczny przekrój rdzenia ilnika indukcyjnego przedtawiono na ryunku 13, zaś przekrój z ukazujący tojan i wirnik na ryunku 14. Ry. 13 Przekrój tojana. Widoczne ą żłobki w których prowadzone jet natępnie uzwojenie. Ry. 14 Budowa ilnika indukcyjnego. Silnik indukcyjny materiały do wykładów. 10

3.3.2 Wirnik ilnika indukcyjnego. Itnieją dwie odmiany ilników aynchronicznych, zależnie od budowy wirnika: ilnik klatkowy (z wirnikiem klatkowym) oraz ilnik pierścieniowy (z wirnikiem pierścieniowym). Silnik klatkowy. Wirnik w ilniku klatkowym zbudowany jet podobnie jak przedtawiony na ryunku 11 model. Wirnik klatkowy kłada ię z nieizolowanych prętów, najczęściej aluminiowych (materiał lekki i dobrze przewodzący prąd) połączonych na końcach metalowymi przewodzącymi pierścieniami (najczęściej z aluminium, miedzi, moiądzu). Widok takiej klatki przedtawia ryunek 15. Dla ilników małej mocy częto cały wirnik wykonywany jet w potaci jednolitego odlewu. Ry. 15 Widok klatki wirnika ilnika indukcyjnego. Wykonana w ten poób klatka tanowi wielofazowe uzwojenie zwarte. Indukowane w takiej klatce napięcia (pod wpływem pola tojana) ą małe, prądy natomiat tounkowo duże ze względu na mały opór elektryczny takiej klatki. Pręty klatki nie ą w praktyce prowadzone równolegle do oi obrotu, lecz z lekkim koem, a to ze względu na cichzą pracę ilnika i łatwiejzy rozruch. Podobnie tojan wirnik także poiada rdzeń z blach elektrotechnicznych ze żłobkami w których prowadzone ą pręty klatki lub uzwojenie. Na duże moce (rzędu etek kw i pojedynczych MW) wykonywane ą ilniki klatkowe głębokożłobkowe i dwuklatkowe. Poiadają one korzytne charakterytyki rozruchowe. Ry. 16 widok wirnika klatkowego. Silnik indukcyjny materiały do wykładów. 11

Symbol trójfazowego ilnika indukcyjnego, klatkowego na chematach elektrycznych jet przetawiony na ryunku 17. 3 ~ Ry. 17. ymbol ilnika klatkowego Po lewej tronie zaznaczone ą przewody ieci zailającej (w tym przypadku trójprzewodowej). Zailany jet tojan, ymbolicznie przedtawiony jako zewn ętrzny, więkzy okrąg. Wirnik nie ma żadnych wyprowadzeń. Silnik pierścieniowy. Wirnik w ilniku pierścieniowym poiada uzwojenia nawinięte, podobnie jak tojan, przewodami izolowanymi. Prowadzone ą one w żłobkach blach wirnika (widok takiej blachy pokazany jet na ryunku 18). Ry. 18 blacha wirnika. Wzytkie fazy tego uzwojenia najczęściej zwarte ą początkami (tworząc połączenie w gwiazdę), i z wyprowadzonymi końcami. Każdy z końców (w przypadku ilnika trójfazowego jet ich oczywiście trzy) przyłączony jet do jednego pierścienia (najczęściej miedzianego) oadzonego na wale wirnika i od niego odizolowanego. Ry. 19 pierścienie ślizgowe dla trójfazowych ilników pierścieniowych. Silnik indukcyjny materiały do wykładów. 12

Na każdym z tych pierścieni ślizga ię zczotka węglowa, przyłączona do tabliczki zacikowej ilnika. Dzięki temu do uzwojenia wirnika ilnika pierścieniowego można przyłączyć rezytory zewnętrzne, łużące np. do rozruchu lub regulacji prędkości obrotowej ilnika (patrz rozdział czwarty). Stoowane jet także kojarzenie uzwojeń wirnika w trójkąt, najczęściej dla ilników więkzych mocy, rzędu dzieiątek kw. Symbol ilnika pierścieniowego na chematach elektrycznych przedtawiony jet na ryunku 20. 3 ~ Ry. 20 ymbol ilnika pierścieniowego. Uzwojenie tojana zailane jet podobnie jak w poprzednim przypadku. Natomiat wyprowadzone ą jezcze uzwojenia wirnika (trzy końce). Wirnik ymbolicznie oznaczany jet jako mniejzy, wewnętrzny okrąg, tak jak w rzeczywitym ilniku, obracający ię wewnątrz tojana. Silniki aynchroniczne pierścieniowe ą drożze od klatkowych i w efekcie nie ą tak rozpowzechnione. 3.4 Budowa ilnika. Cylindryczny rdzeń wirnika umiezczony jet wewnątrz rdzenia tojana. Między nimi oczywiście wytępuje zczelina powietrzna. Wirnik ilnika indukcyjnego jet umiezczony na ułożykowanym wale, razem z wentylatorem chłodzącym. W przypadku ilników klatkowych mniejzych mocy częto wykonywany jet jako jeden odlew razem z klatką wirnika. Ry. 21 budowa ilnika klatkowego malej mocy. Silnik indukcyjny materiały do wykładów. 13

Ry. 22 Budowa wewnętrzna ilnika klatkowego (ABB). Na ryunku 22 przetawiony jet widok wewnętrzny klaycznego trójfazowego ilnika klatkowego. W tylnej jego części widoczny jet wentylator wykonany razem z klatką jako jeden odlew. Użebrowany kadłub ilnika poprawia kuteczność chłodzenia i pomaga w odprowadzaniu ciepła (więkza powierzchnia oddająca ciepło). 4 Moc, charakterytyka mechaniczna, rozruch i praca ilnika indukcyjnego 4.1 Moment ilnika i jego charakterytyka mechaniczna. Moc czynną pobraną przez ilnik indukcyjny podcza pracy można wyznaczyć ze wzoru: P = 3 U p I p coφ = 3 U f I f co φ. Gdzie: U p, I p napięcie i prąd przewodowy tojana U f I f napięcie i prąd fazowy tojana φ kąt przeunięcia fazowego pomiędzy napięciem zailającym i prądem Moc pobrana z ieci zmniejza ię o moc trat w uzwojeniach tojana: P - P cu = P el- Silnik indukcyjny materiały do wykładów. 14

Gdzie: P moc pobierana z ieci P cu moc trat w uzwojeniu tojana P el - moc pola elektromagnetycznego wytworzonego przez uzwojenie tojana Moc ta przenieiona przez pole elektromagnetyczne ze tojana do wirnika zotaje jezcze pomniejzona przez traty pola w wirniku: P w = P el- Zatem całkowita moc zamieniona na moc mechaniczną (na wale ilnika) wynieie: P m. = P el- - P el- = P el- (1 - ) Związek między mocą P a momentem iły M wyraża zależność: P [W] = M [Nm] ω [rad /], a zatem: M = ω P. Charakterytyka mechaniczna ilnika indukcyjnego ukazuje zależność momentu na jego wale od prędkości obrotowej ilnika. Opiana może być różnymi zależnościami. W uprozczeniu, korzytając z równań ilnika można napiać iż: M = k U 2 1 B A + Gdzie: k wpółczynnik proporcjonalności, U wartość kuteczna napięcia zailającego ilnik, A tała kontrukcyjna ilnika zależna od indukcyjności uzwojeń tojana i wirnika, B tała kontrukcyjna zależna od rezytancji obwodu wirnika, poślizg względny ilnika (patrz trona 8). Moment makymalny ilnika nazywany jet momentem krytycznym M. k i wytępuje on przy poślizgu krytycznym k. Ry. 23 charakterytyka mechaniczna ilnika indukcyjnego. Silnik indukcyjny materiały do wykładów. 15

Wzór opiujący charakterytykę mechaniczną ilnika przedtawiany jet także w innych potaciach, jak np. poniżzy wzór zwany wzorem Kloa.: M M 2 = k + k k gdzie: M moment ilnika, M. k moment krytyczny ilnika, poślizg, k poślizg krytyczny Charakterytyka mechaniczna ilnika w obwód elektryczny którego nie do łączono żadnych dodatkowych elementów (dławików, rezytorów, itp.) zailanego znamionowym napi ęciem nazywana jet charakterytyką naturalną. Silnik pracuje bowiem wtedy w naturalnych warunkach. 4.2 Rozruch ilników indukcyjnych. Rozruch ilnika indukcyjnego obejmuje okre przejściowy od potoju do tanu pracy utalonej, przy prędkości wirowania wirnika odpowiadającej narzuconym warunkom zailania i obciążenia. Rozruch ilnika jet możliwy wtedy, gdy w okreie rozruchu wytępuje nadwyżka momentu elektromagnetycznego nad momentem mechanicznym, czyli tzw. moment dynamiczny. 4.2.1 Rozruch bezpośredni. Rozruch bezpośredni polega na załączeniu ilnika ze zwartym uzwojeniem wirnika bezpośrednio do ieci na napięcie znamionowe przy czętotliwości znamionowej. W początkowej fazie rozruchu wirnik jet nieruchomy (poślizg ilnika =1). Pobierany jet wówcza duży prąd rozruchowy, kilkukrotnie (4 10) więkzy od prądu znamionowego ilnika, zaś początkowy moment rozruchowy może być mniejzy od momentu znamionowego. Duży początkowy prąd rozruchowy ilnika jet niepożądany, dla amego ilnika i ieci zailającej, powodując grzanie uzwojeń ilnika duże padki napięcia w ieci zailającej, objawiające ię np. przygaaniem żarówek. Ze względu na te ograniczenia dopuzcza ię rozruch bezpośredni ilników o małych mocach jednotkowych, rzędu kilku kilkunatu kw, zależnie od ztywności ieci zailającej. Dodatkowym ograniczeniem w takim rozruchu jet mały początkowy moment rozruchowy ilnika, co powoduje iż moment obciążenie (moment od napędzanej mazyny) przy prędkości równej zeru powinien być mały aby nie powodować utknięcia (zatrzymania) ilnika. W efekcie, w praktyce, rozruch bezpośredni jet dokonywany bez obciążenia lub przy obciążeniu bardzo niewielkim. Ze względu na zereg wad tej metody rozruchu w uk ładach praktycznych touje ię różne pooby i rządzenia pomocnicze do rozruchu ilników dzięki którym natępuje zmniejzenie prądu rozruchowego. Przy tym częto utrzymuje ię lub nawet zwiękza moment rozruchowy ilnika. Silnik indukcyjny materiały do wykładów. 16

4.2.2 Rozruch z zatoowaniem przełącznika gwiazda trójkąt. Mając do dypozycji trójfazowy ilnik indukcyjny, na jego tabliczce zacikowej znajdują ię wyprowadzenia uzwojeń tojana, których początki oznaczono U, V, W oraz końce X, Y, Z. Dołączane jet ono do ieci zailającej, o fazach oznaczonych L1, L2, L3 i przewodzie neutralnym N. Uzwojenia tojana L1 U X Sieć zailająca L2 L3 V W Z Y Ry. 24 oznaczenia punktów przyłączeniowych w ieci trójfazowej oraz końcówek uzwojenia tojana. N Uzwojenie tojana ilnika trójfazowego może być łączone w dwóch konfiguracjach, jako gwiazda lub trójkąt. Połączenie w gwiazdę realizowane jet poprzez połączenie początków (lub końców) uzwojeń do wpólnego punktu, a pozotałych trzech końców do kolejnych faz ieci zailającej, tak jak na ryunku 25. L1 L2 L3 U f-n N Ry. 25 połączenie uzwojeń tojana w gwiazdę (Υ). Warto zaznaczyć iż każde uzwojenie tojana podłączone jet jednym końcem do przewodu neutralnego N, a drugim do przewodu fazowego (L1, L2 lub L3). Na ka żdym z tych uzwojeń wytępuje zatem napięcie fazowe, oznaczone jako U f-n. Połączenie punktu wpólnego wzytkich uzwojeń z punktem neutralnym N nie jet konieczne. Połączenie w trójkąt realizowane jet poprzez łączenie kolejno końca uzwojenia poprzedniej fazy z początkiem uzwojenia natępnej fazy (przy oznaczeniach jak na Silnik indukcyjny materiały do wykładów. 17

ryunku może to być: punkt Z łączony z V, Y z U, X z W, albo też W z Y, V z X oraz U z Z). Punkty połączeniowe uzwojeń łączone ą natępnie do kolejnych faz ieci zailającej, tak jak na ryunku 26. Punkt neutralny N nie jet w tym przypadku wykorzytywany. L1 Sieć zailająca L2 L3 N Ry. 26 Połączenie uzwojeń tojana w trójkąt (oznaczane Δ lub D). W tym układzie każde uzwojenie podłączone jet początkiem do jednego a końcem do innego przewodu fazowego. A zatem, na każdym z tych uzwojeń panuje napięcie międzyfazowe, oznaczone na ryunku jako U f-f (w literaturze touje ię oznaczeni U). Na wykorzytaniu tych dwóch układów połączeń oparty jet rozruch ilnika indukcyjnego z zatoowaniem przełącznika gwiazda trójkąt. Rozruch ten może być realizowany tylko w ilnikach indukcyjnych mających wyprowadzone na tabliczkę zacikową ześć zacików uzwojenia tojana. Przełącznik gwiazda trójkąt toowany jet w celu zmniejzenia prądu pobieranego z ieci w chwili rozruchu, przez zmniejzenie napięcia na zacikach uzwojenia tojana. W pierwzej fazie rozruchu uzwojenie tojana po łączone jet w gwiazdę, a natępnie, po oiągnięciu przez ilnik prędkości obrotowej (z reguły min. 50% prędkości znamionowej) uzwojenia tojana przełączane ą w trójkąt. Oznaczmy napięcia międzyfazowe (między dwoma dowolnymi fazami L1, L2 lub L3) ieci zailającej, jako U, tak jak na ryunku 27. L1 L2 L1 U L3 ILY UY L2 L3 IU N IL Ry. 27 - Prądy i napięcia dla połączenia uzwojeń w gwiazdę i trójkąt. Silnik indukcyjny materiały do wykładów. 18

Przy połączeniu uzwojeń tojana w gwiazdę, na każdym z nich będzie wytępować napięcie U Y, przy czym zgodnie z zależnościami w układach trójfazowych: U U Y = 3 Ponieważ uzwojenia tojana ą ymetryczne, to impedancja każdego z nich jet jednakowa, i wynoi Z. Widać także iż w tym układzie, prąd płynący przez każde z uzwojeń jet równy prądowi pobieranemu z ieci (płynącemu przez każdy przewód fazowy). Zatem przy rozruchu ilnika połączonego w gwiazdę prąd pobierany z ieci wynieie: I LY = U Y U = Z Z 3 W przypadku trójkąta, na każdym z uzwojeń odłoży ię napięcie U Δ, przy czym: U Δ = U. Prąd płynący przez każde z uzwojeń wynieie: U I u = U = Z Z Ale, ponieważ naz odbiornik (uzwojenie tojana) połączony jet w trójkąt, zatem prąd pobierany z ieci (prąd przewodowy) I LΔ wynieie: I LΔ = 3 I U A tąd: I LΔ = 3 Z U Stounek prądów rozruchowych pobieranych z ieci dla połączenia w gwiazdę i trójkąt jet równy: I I LY L = U Z 3 1 = U 3 3 Z 3 I LY = I LΔ Z powyżzego wynika, że zatoowanie przełącznika Y/Δ powoduje trzykrotne zmniejzenie prądu rozruchowego pobieranego z ieci. W rzeczywitości ten tounek może być więkzy, ponieważ nie uwzględniono w tych rozważaniach jezcze innych czynników. Ponieważ moment rozruchowy jet proporcjonalny do kwadratu napi ęcia zailającego (patrz trona 14) tounek momentu rozruchowego przy po łączeniu w gwiazdę do momentu rozruchowego przy połączeniu w trójkąt jet równy: M Y M U = U Y 2 = 2 U 3 U = 1 3 Silnik indukcyjny materiały do wykładów. 19

Zatem moment rozruchowy ilnika również maleje trzykrotnie, co jet zjawikiem niekorzytnym. W realizacji praktycznej chemat takiego przełącznika wyglądać może tak jak na ryunku 28. Sieć zailająca N L1 L2 L3 U V W Uzwojenia tojana X Y Z / Y Ry. 28 przełącznik gwiazda /trójkąt 4.2.3 Rozruch za pomocą autotranformatora Ten poób rozruchu touje ię do ilników o dużej mocy. Zadaniem autotranformatora jet zmniejzanie napięcia doprowadzanego do ilnika do wartości 50 75% napięcia znamionowego (0,5...0,75)U n. 4.2.4 układy miękkiego rozruchu ilnika (oft - tart). Charakterytyczną cechą układu przełącznika gwiazda trójkąt jet jego protota. Jednak jego podtawową wadą jet fakt iż nie on eliminuje całkowicie udarów mechanicznych jakie maję miejce bezpośrednio po załączeniu obciążonego ilnika do ieci oraz po przełączeniu z gwiazdy w trójkąt. Szybki w otatnich latach rozwój energoelektroniki powodował powtanie urządzeń do łagodnego rozruchu ilników indukcyjnych, nazywane układami oft - tart (miękkiego rozruchu) Ich zaada działania opiera ię na regulacji mocy dotarczanej do odbiornika, dokonywanej poprzez zmianę kutecznej wartości napięcia podawanego n odbiór. W roli elementów terujących touje ię najczęściej tyrytory. Możliwe jet dzięki temu dokładne terowanie proceem rozruchu ilnika z jednoczenym śledzeniem zeregu parametrów, jak prąd rozruchowy, moment ilnika, prędkość obrotowa, itp. Dzięki wykorzytaniu tych urządzeń znacznie redukuje ię prąd rozruchu oraz udary mechaniczne ilników, jego wału i negatywny wpływ tych proceów na urządzenia napędzane. Silnik indukcyjny materiały do wykładów. 20

4.2.5 Rozruch ilników aynchronicznych pierścieniowych Dołączenie do uzwojeń wirnika w ilniku pierścieniowym powoduje padek prądu wirnika, a zatem padek prądu pobieranego z ieci. Mniejzy jet jednak także moment rozruchowy ilnika. Wpływ dodatkowych rezytorów w obwodzie wirnika omówiony zota ł w punkcie 4.3.2. 4.3 Regulacja prędkości obrotowej ilników indukcyjnych. 4.3.1 Zmiana kierunku wirowania ilnika. Z przetawionej zaady działania ilnika indukcyjnego wiadomo iż wirnik ilnika wiruje zgodnie z kierunkiem wirowania pola magnetycznego wytworzonego w tojanie. Chc ąc zatem zmienić kierunek wirowania wirnika (i wału ilnika) należy zmienić kierunek wirowania pola magnetycznego w mazynie, który, jak wiemy, narzucony jet kolejno ścią faz ieci zailającej ilnik. Zatem zmianę kierunku wirowania wirnika ilnika można otrzymać przez zmianę kolejności faz ieci zailającej ilnik, co w praktyce realizuje ię przez zamianę dwóch dowolnych faz uzwojenia tojana z dwoma fazami ieci zailającej, np. zamiat łączenia faz ieci z ilnikiem L1-L1 i L2-L2 łączymy L1-L2 i L2-L1, tak jak na ryunku 29. L1 L2 L3 L1 L2 L3 3 ~ Ry. 29 zmiana kierunku wirowania ilnika poprzez zamianę faz zailających. 4.3.2 Regulacja prędkości obrotowej ilnika indukcyjnego. Silniki indukcyjne pracują częto w napędach elektrycznych, gdzie wymagana jet wymaga ię natawianej prędkości wirowania. Z zależności ω m. = ω * (1-) wynika, że natawianie prędkości wirowania ilnika indukcyjnego można zrealizować przez zmianę prędkości ynchronicznej ω pola magnetycznego mazyny lub przez zmianę poślizgu. Natawianie prędkości przez zmianę prędkości ynchronicznej jet ekonomiczne, gdyż nie powoduje zwiękzenia trat w mazynie. Natomiat natawianie prędkości wirowania przez zmianę poślizgu nie jet ekonomiczne, bowiem moc elektryczna tracona w obwodzie uzwojenia wirnika jet proporcjonalna do poślizgu. Stouje ię natępujące metody regulacji prędkości obrotowej ilników indukcyjnych. - Przez zmianę czętotliwości f napięcia U zailającego tojan możliwe jet natawianie (ciągłe lub kokowe) prędkości w zakreie od potoju (ω=0) do prędkości znamionowej (ω n ). Aby trumień w mazynie był niezmienny, zmianom czętotliwości f powinny odpowiadać proporcjonalne zmiany napięcia zailającego (w przybliżeniu tounek Silnik indukcyjny materiały do wykładów. 21

U/f=cont). Możliwa jet zatem także regulacja ponad prędkość znamionową, jednak rzadko toowana z uwagi na wytrzymałość mechaniczną ilnika i wytrzymałość elektryczną izolacji. - Przez zmianę liczby par biegunów magnetycznych w tojanie (patrz trona 6) p możliwe jet kokowa regulacja prędkości obrotowej ilnika. Wtedy na tojanie jet nawinięte jedno uzwojenie o przełączalnej liczbie par biegunów, albo kilka uzwojeń niezależnych, każde o innej liczbie par biegunów. Silniki takie nazywane ą ilnikami wielobiegowymi. - Przez zmianę napięcia U zailającego uzwojenia tojana przy tałej czętotliwości, możliwa jet zmiana prędkości kątowej ilnika w zakreie od warunków dl zailania znamionowego do poślizgu krytycznego. - Przez włączenie impedancji dodatkowej w obwód tojana. Możliwa jet wtedy regulacja prędkości kątowej ilnika w wąkim zakreie. Wadą tej metody ą traty w mazynie ronące w miarę zmniejzania prędkości kątowej. - W ilnikach pierścieniowych możliwa jet regulacja prędkości przez dołączenie dodatkowych rezytancji zeregowo w obwód wirnika, tak jak na ryunku 30. Rezytory dodatkowe Sieć zailająca Ry. 30 rezytory zeregowe w obwodzie wirnika ilnika pierścieniowego. Dołączenie zeregowej rezytancji w zereg z uzwojeniem wirnika powoduje padek prądu płynącego w wirniku, a więc (patrz trona 8) padek iły elektrodynamicznej działającej na wirnik a za tym padek momentu i padek prędkości obrotowej w tounku do ilnika tak amo obciążonego, ale bez rezytancji w wirniku. Charakterytyka mechaniczna ilnika zmieni ię, tak jak na ryunku 31. Ry. 31 - wpływ rezytancji zeregowych w wirniku na charakterytykę mechaniczną ilnika pierścieniowego. Silnik indukcyjny materiały do wykładów. 22

Charakterytyka naturalna ilnika przedtawiona jet kolorem zielonym. Silnik zota ł obciążony momentem obciążenia M o, i jego prędkość przy tym obciążeniu wynoi n 1. Po dołączeniu rezytorów dodatkowych w obwód wirnika ilnik ma charakterytyk ę ztuczną (przedtawiona kolorem niebiekim). W porównaniu do charakterytyki naturalnej ma ona łagodniejzy przebieg, i w zakreie normalnej, tabilnej pracy ilnika (od po ślizgu krytycznego k2 do biegu jałowego, czyli =0) zerzy jet zakre zmian prędkości. Przy tym amym co w poprzednim przypadku obciążeniu ilnika momentem M o utali ię prędkość wirowania ilnika n 2, mniejza n 1. Jednak ten poób regulacji jet niezbyt ekonomiczny, ze wzgl ędu na wytracanie części mocy na rezytorach dodatkowych, co obni ża prawność takiego układu. Obecnie ze względu na rozwój energoelektroniki i techniki mikroproceorowej, ilniki indukcyjne powzechnie zaila ię z urządzeń zwanych falownikami. Umożliwiają one oprócz regulacji prędkości obrotowej, także śledzenie zeregu parametrów ilnika (temperatura uzwojeń, prąd pobierany, itp.), kontrolę rozruchu i hamowania, co znacznie wydłuża cza ich ekploatacji oraz niezawodność układów napędowych. 5 Ekploatacja ilników. Dane i warunki ekploatacyjne ilników zawarte ą w dokumentacjach technicznych producentów. Natomiat podtawowych danych dotarcza zawze tabliczka znamionowa ilnika, która zawiera najczęściej: - moc znamionową ilnika (moc użyteczną na wale ilnika) - napięcie znamionowe uzwojenia tojana w przypadku ilników trójfazowych jet to napięcie międzyfazowe, - układ połączeń tojana - prąd znamionowy uzwojenia tojana - czętotliwość znamionową napięcia zailającego ilnik, - znamionowy wpółczynnik mocy co φ - znamionową prędkość obrotową wirnika, podawaną najczęściej w obr./min. - inne dane, jak nazwa producenta, oznaczenie ilnika, typ, rodzaj pracy, temperatur ę pracy, itp. Literatura. Z. Gogolewki, Z. Kuczewki: Napęd elektryczny, WNT Warzawa 1972. S. Kaniewki, S. Rozczyk, J. Jaczewki, Z. Manitiu Silniki indukcyjne aynchroniczne, PWN, Warzawa, 1956. A. M. Plamitzer Mazyny elektryczne, WNT, Warzawa, 1976. J. Węglarz Mazyny elektryczne, WNT, Warzawa, 1962. Z. Stein: Mazyny i napęd elektryczny, WSiP Warzawa 1985. Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemyłowych, AGH, Kraków, 2004. Silnik indukcyjny materiały do wykładów. 23