Wykład VIII Silniki indukcyjne - wiadomości ogólne Klasyfikacja Budowa silnika Zasada działania Charakterystyki Rozruch Regulacja prędkości obrotowej Zmiana kierunku wirowania

Silniki indukcyjne - wiadomości ogólne Do maszyn indukcyjnych należy duża grupa maszyn o różniących się konstrukcjach przeznaczonych do wypełniania różnorodnych działań. 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, silniki specjalne, ale również jako przetwornice częstotliwości, regulatory napięcia, hamulce indukcyjne czy przesuwniki fazowe. Silniki indukcyjne mogą być 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 część ruchoma tych silników porusz się po linii prostej.

Klasyfikacja silników indukcyjnych

Budowa silnika indukcyjnego Rys. 1. Silnik indukcyjny: a) widok obudowy; b) widok układu

Schemat silnika indukcyjnego Rys. 2. Silnik indukcyjny - przekrój

Silnik indukcyjny składa się z dwóch zasadniczych części: nieruchomego stojana i ruchomego (wirującego) wirnika. Na wewnętrznej stronie rdzenia stojana i zewnętrznej stronie rdzenia wirnika wykonuje się specjalne rowki, zwane żłobkami, w których umieszczane są uzwojenia. Część rdzenia pomiędzy sąsiednimi rowkami, nazywana jest zębem. Żłobki i zęby mogą posiadać różne kształty, zwykle ich liczba w stojanie i wirniku jest różna. Pomiędzy stojanem a wirnikiem znajduje się możliwie mała szczelina powietrzna. Rys. 3. Silnik indukcyjny

Rys. 3. Wirnik silnika pierścieniowego Uzwojenie stojana wykonane jest z izolowanego drutu, zaimpregnowane i mocno usztywnione, tak, aby zmniejszyć prawdopodobieństwo uszkodzenia na skutek drgań mechanicznych Ze względu na sposób wykonania wirnika rozróżnia się dwa rodzaje silników indukcyjnych: klatkowe i pierścieniowe. 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. Rys. 3. Wirnik silnika pierścieniowego

Rys. 4. Klatka silnika 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 Rys. 4. Klatka silnika klatkowego

Rys. 5. wirnik silnika klatkowego Silnik klatkowy ma bardzo prostą, tanią, i łatwa w utrzymaniu konstrukcję. Wykonanie silnika pierścieniowego jest o wiele droższe, ale konstrukcja ta, poprzez możliwość dołączania dodatkowych elementów do uzwojenia wirnika posiada zdecydowanie bogatsze właściwości ruchowe. (układy umożliwiające rozruch i regulacje prędkości silnika) Biorąc jednak pod uwagę coraz większą powszechność elektronicznych urządzeń zasilających (falowniki), umożliwiających uzyskanie o wiele lepszych właściwości regulacyjnych, wspomniane zalety silników pierścieniowych przestały być juz tak istotne i w ogromnej większości silniki pierścieniowe zostały wyparte przez silniki klatkowe.

Budowa silnika trójfazowego klatkowego kadłub uzwojenia stojana pierścień klatki Wirnik klatkowy Rdzeń stojana tarcza łożyska tarcza łożyska wał

BUDOWA SILNIKA OBWÓD MAGNETYCZNY blachy stojana szczelina powietrzna blachy wirnika

Pierścienie i szczotki BUDOWA SILNIKA OBWODY ELEKTRYCZNE uzwojenia stojana uzwojenia wirnika opornik rozruchowy Pierścienie i szczotki

BUDOWA SILNIKA WIRNIK SILNIKA PIERŚCIENIOWEGO uzwojenie blachy wirnika pierścienie ślizgowe wał W silnikach pierścieniowych wirnik jest uzwojony trójfazowo. Uzwojenia te połączone są w gwiazdę, a końce gwiazdy wyprowadzone są do pierścieni ślizgowych.

BUDOWA SILNIKA WIRNIK SILNIKA KLATKOWEGO Pręty klatki pierścień klatki W silnikach klatkowych wirnik ma uzwojenia w postaci prętów zwartych na końcach. sprzęgło wał

BUDOWA SILNIKA 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.

BUDOWA SILNIKA SILNIKI JEDNOFAZOWE Silnik indukcyjny z jednym uzwojeniem stojana nie wytworzy początkowego momentu rozruchowego. Taki silnik ma w stojanie dwa uzwojenia o osiach przesuniętych w przestrzeni. Budowany jest w dwóch odmianach: z równomierna szczeliną powietrzną - dwufazowe uzwojenie stojana jest wykonane jako rozłożone i umieszczone w żłobkach. z nierównomierną szczeliną powietrzną (biegunami jawnymi) - uzwojenia stojana są one skupione. Jedno z nich, główne, nawinięte na rdzeniu bieguna jest zasilane z sieci. Drugie uzwojenie, pomocnicze, ma jeden lub dwa zwarte zwoje umieszczone na części dzielonego rdzenia bieguna

SILNIK JEDNOFAZOWY O RÓWNOMIERNEJ SZCZELINIE BUDOWA SILNIKA SILNIK JEDNOFAZOWY O RÓWNOMIERNEJ SZCZELINIE POWIETRZNEJ stojan Wirnik klatkowy Rozłożone uzwojenia stojana

SILNIK JEDNOFAZOWY Z UZWOJENIEM POMOCNICZYM BUDOWA SILNIKA SILNIK JEDNOFAZOWY Z UZWOJENIEM POMOCNICZYM ZWARTYM stojan z uzwojeniem głównym uzwojenie pomocnicze rdzeń stojana biegun uzwojenia pomocniczego wirnik wał

OBWÓD MAGNETYCZNY SILNIKA JEDNOFAZOWEGO BUDOWA SILNIKA OBWÓD MAGNETYCZNY SILNIKA JEDNOFAZOWEGO Rdzeń stojana półnabiegunnik Uzwojenie główne wirnik Zwój zwarty

OBWÓD ELEKTRYCZNY SILNIKA JEDNOFAZOWEGO BUDOWA SILNIKA OBWÓD ELEKTRYCZNY SILNIKA JEDNOFAZOWEGO uzwojenie główne wirnik uzwojenie pomocnicze kondensator rozruchowy

SILNIK INDUKCYJNY DWUFAZOWY BUDOWA SILNIKA SILNIK INDUKCYJNY DWUFAZOWY Silnik indukcyjny składa się z dwóch zasadniczych części: nieruchomego stojana i ruchomego (wirującego) wirnika.Silniki dwufazowe mają dwufazowe uzwojenie stojana i równomierną szczelinę powietrzną. Zwykle uzwojenia stojana są jednakowe i przesunięte o kąt elektryczny 900. Wirniki silników dwufazowych mogą być : jednoklatkowe - wykonane podobnie jak w silnikach trójfazowych, kubelkowe - aluminiowe cienkościenne uzwojenie w kształcie kubka, w którego wnętrzu, dla zmniejszenia prądu magnesującego jest umieszczony rdzeń zwiększający opór magnetyczny

SILNIK DWUFAZOWY KUBEŁKOWY BUDOWA SILNIKA SILNIK DWUFAZOWY KUBEŁKOWY uzwojenia stojana kubek wirnika rdzeń wewnętrzny Rdzeń stojana

SILNIK INDUKCYJNY LINIOWY BUDOWA SILNIKA SILNIK INDUKCYJNY LINIOWY Silniki indukcyjne liniowe najczęściej budowane są jako trójfazowe. Wyróżnia się w nich obwód pierwotny (wzbudnik) oraz obwód wtórny (biegnik). Wzbudnik może być umieszczony nad lub pod biegnikiem. Silnik może być tak skonstruowany, że biegnik jest umieszczony pomiędzy dwoma wzbudnikami. Na ogół wzbudnik z uzwojeniem jest nieruchomy. Biegnikiem zwykle jest taśma lub wąska płyta aluminiowa przesuwająca się na rolkach lub łożyskach.

SILNIK LINIOWY Z DWUSTRONNYM WZBUDNIKIEM BUDOWA SILNIKA SILNIK LINIOWY Z DWUSTRONNYM WZBUDNIKIEM wzbudnik uzwojenia biegnik

ZASADA DZIAŁANIA POLE WIRUJĄCE Pole wirnika wiruje względem stojana z prędkością synchroniczną, czyli jest nieruchome względem pola stojana niezależnie od prędkości obrotowej maszyny.  Pola magnetyczne stojana i wirnika tworzą jedno wspólne pole, które indukują w stojanie i w wirniku siły elektromotoryczne. Każde uzwojenie, przez które płynie prąd przemienny, wytwarza wokół siebie zmienne pole magnetyczne. Trzy zmienne pola magnetyczne nakładają się na siebie, dając pole wypadkowe zmienne.

POŁOŻENIE OSI WYPADKOWEGO POLA STOJANA ZASILANEGO TRÓJFAZOWO ZASADA DZIAŁANIA POŁOŻENIE OSI WYPADKOWEGO POLA STOJANA ZASILANEGO TRÓJFAZOWO t=0 t=1/12T t=1/6T t=1/4T t=1/3T t=1/2T t=2/3T

ZASADA DZIAŁANIA POLE WIRUJĄCE STOJANA oś pola wypadkowego

ZASADA DZIAŁANIA Wirujące pole magnetyczne wywołane przez stojan, przecina przewody nieruchomego w pierwszej chwili wirnika i indukuje w nich siły elektromotoryczne. Pod wpływem tych sił w zamkniętym obwodzie wirnika płynie prąd w wyniku którego w wirniku wytwarza moment obrotowy powodujący podążanie przewodów wirnika w kierunku wirowania pola. Wirnik zaczyna się obracać. Z upływem czasu prędkość obrotowa wirnika zwiększa się, lecz równocześnie zmniejsza się prędkość przecinania jego przewodów przez pole wirujące. Zmniejsza się wtedy wartość momentu w porównaniu z tym, jaki działał na nieruchomy wirnik. W rezultacie ustala się prędkość obrotowa wirnika. Jest ona mniejsza od prędkości pola wirującego stojana.

ZASADA DZIAŁANIA Wypadkowe pole wirnika stojana

ZASADA DZIAŁANIA Różnica między prędkością pola wirującego (synchroniczną) ns, a prędkością wirnika n podzielona przez ns, nazywa się poślizgiem S - poślizg, ns - prędkość synchroniczna, n - prędkość wirnika

ZASADA DZIAŁANIA Warunek istnienia poślizgu musi być spełniony, gdyż: przewody nie byłyby przecinane przez linie pola, siła elektromotoryczna zmalałaby do zera, nie wytworzyłoby się pole wokół uzwojeń wirnika, nie powstałby moment obrotowy.

Równanie ruchu elektromechanicznego ZASADA DZIAŁANIA Równanie ruchu elektromechanicznego M= Md+Mm Md=J ;Mm=Mobc+Mo M - moment elektromagnetyczny; Md - moment dynamiczny ;Mm -moment mechaniczny; Mobc -moment obciążenia; Mo -moment strat własnych; J - moment bezwładności układu wirującego; -zmiana prędkości wirnika w czasie dt.

ZASADA DZIAŁANIA Wirnik silnika będzie wprawiony w ruch obrotowy jeśli: istnieje pole wirujące stojana, uzwojenia wirnika są zwarte, moment elektromagnetyczny silnika jest większy od momentu mechanicznego i momentu bezwładności.

ZASADA DZIAŁANIA SILNIKA JEDNOFAZOWEGO Prąd w uzwojeniu pomocniczym, opóźniony w stosunku do prądu uzwojenia głównego, umożliwia powstanie eliptycznego pola wirującego, w każdych warunkach pracy silnika. W silniku z uzwojeniem dwufazowym jedno z uzwojeń (główne) jest umieszczone w 2/3 żłobków stojana, natomiast drugie uzwojenie (pomocnicze) w pozostałych żłobkach. Osie uzwojeń są przesunięte o kąt 900. Oba uzwojenia są zasilane tym samym napięciem fazowym. Przesunięcie fazowe potrzebne do wytworzenia momentu rozruchowego uzyskuje się przez : wykonanie uzwojenia pomocniczego o powiększonej rezystancji (uzwojenie to może pracować tylko w czasie rozruchu) włączenia w obwód uzwojenia pomocniczego kondensatora (może pracować w czasie rozruchu ale również współpracować z uzwojeniem głównym).

ZASADA DZIAŁANIA SILNIKA DWUFAZOWEGO Podobnie jak w silniku jednofazowym uzwojenia stojana silnika dwufazowego wytwarzają pole eliptyczne. Indukuje ono w zwartym uzwojeniu wirnika siłę elektromotoryczną. Oddziaływanie pola wirnika i stojana wprawia w ruch silnik . Silniki dwufazowe można zasilać ze źródła jednofazowego, wówczas w obwód jednej z faz, podobnie jak w silniku jednofazowym, należy włączyć kondensator. Różnicą między silnikiem jedno - i dwufazowym jest możliwość regulacji prędkości w tym drugim.

ZASADA DZIAŁANIA SILNIKA LINIOWEGO Silnik indukcyjny liniowy działa na takiej samej zasadzie jak silnik indukcyjny o ruchu obrotowym z wirnikiem klatkowym. Pole elektromagnetyczne wytworzone przez prądy płynące w uzwojeniuwzbudnika przemieszcza się wzdłuż biegnika z prędkością liniową zależną od częstotliwości napięcia zasilającego oraz ilości biegunów pola. Pod wpływem przemieszczającego się pola, w biegniku indukuje się siła elektromotoryczna. Prądy w biegniku wytwarzają siłę elektrodynamiczną powodującą ruch biegnika.

CHARAKTERYSTYKI Właściwości ruchowe silników przedstawia się zazwyczaj w postaci: charakterystyki mechanicznej charakterystyki roboczej. Charakterystyka mechaniczna to zależność momentu obrotowego silnika M od prędkości obrotowej n. Zakres pracy silnika od biegu jałowego aż do obciążenia znamionowego znajduje się na części charakterystyki zawartej między prędkością synchroniczną nS a znamionową nN. M n nk nN nS Mmax MN Mr Mr -moment rozruchowy Mmax-moment maksymalny MN- moment znamionowy nk- prędkość krytyczna nN - prędkość znamionowa nS- prędkość synchroniczna

h f cos n I M s n,cosf,h, I,M,s P2 PN Charakterystyki robocze to zależność prędkości obrotowej n, sprawności h, momentu obrotowego M, poślizgu s, prądu pobieranego przez silnik I, współczynnika mocy cos f od mocy oddawanej na wale silnika P2. Charakterystyki te wyznacza się przy warunkach znamionowych zasilania. Przy małym obciążeniu silnik pobiera dość znaczny prąd, a sprawnośći współczynnik mocy silnika są niewielkie ( przy biegu jałowym I0 wynosi 25-50% IN, a cosf0 maleje z 0,85 do ok. 0,1).

ROZRUCH SILNIKA INDUKCYJNEGO Rozruch silników klatkowych i pierścieniowych trwający od chwili przyłączenia obwodu stojana do sieci zasilającej do chwili osiągnięcia przez wirnik ustalonej prędkości obrotowej, przebiega w odmienny sposób. Rozruch za pomocą rozrusznika Rozruch za pomocą przełącznika gwiazda-trójkąt Rozruch za pomocą autotransformatora Rozruch za pomocą dławika włączonego w obwód stojana Rozruch za pomocą rezystancji włączonej w obwód stojana

ROZRUCH SILNIKA KLATKOWEGO Rozruch bezpośredni polega na przyłączeniu uzwojeń stojana do sieci zasilającej bez urządzeń obniżających napięcie. Prąd pobierany podczas takiego rozruchu jest kilkakrotnie większy od znamionowego, a czas jego trwania zależy od momentu obciążenia i momentu znamionowego (Mobc/MN>1- kilkanaście do kilkudziesięciu sekund). Rozruch za pomocą gwiazda - trójkąt polega na połączeniu uzwojeń stojana w gwiazdę przed włączeniem silnika. Przez to zmniejsza się napięcie zasilające razy, a tym samym moment rozruchowy i prąd pobierany z sieci są 3 raz mniejszy. Przed ukończeniem rozruchu silnik należy przełączyć w trójkąt, aby pracował w swoich warunkach normalnych (rozruch taki jest możliwy, gdy silnik rusza nieobciążony lub obciążony bardzo małym momentem.

Schemat przyłączenia silnika z przełącznikiem trójkąt - gwiazda nS I M Mobc M U1 V1 U2 V2 W1 W2 M - moment obrotowy i I - prąd stojana przy połączeniu w trójkąt, M - moment obrotowy i I - prąd stojana przy połączeniu w gwiazdę, Mobc -moment obciążenia Przebieg momentu obrotowego i prądu podczas rozruchu silnika klatkowego za pomocą przełącznika gwiazda – trójkąt

Rozruch za pomocą rozrusznika stojanowego polega na włączeniu w obwód stojana opornika o zmiennej rezystancji. Podobnie jak w przypadku przełącznika gwiazda - trójkąt zarówno moment jaki prąd początkowy mają małą wartość i może być stosowany. Rozruch za pomocą autotransformatora polega na zasilaniu silnika za pośrednictwem autotransformatora obniżającego. Uruchamia się silnik zwiększając napięcie od zera do największej wartości. Silnik rusza bez obciążenia lub przy małej jego wartości.

ROZRUCH SILNIKA PIERŚCIENIOWEGO Najczęściej przeprowadza się taki rozruch przy włączonym w obwód wirnika rozrusznika czyli rezystorów o regulowanej rezystancji. W chwili początkowej rozruchu powinny mieć one największą rezystancję, a w miarę upływu czasu, należy tę rezystancję zmniejszać. Po osiągnięciu prędkości znamionowej silnika uzyskuje się bezoporowe połączenie uzwojeń wirnika. Taki rozruch zmniejsza prąd rozruchowy, a dodatkowe rezystory w obwodzie wirnika powodują zwiększenie momentu rozruchowego.

Rozruch silnika pierścieniowego z zastosowaniem rozrusznika czterostopniowego ns M R4 R3 R2 R1 R4>R3>R2>R1 I n ns R4 R3 R2 R1 Przebieg momentu obrotowego M Przebieg prądu rozruchowego I

Prędkość obrotową silników indukcyjnych wyraża się zależnością: REGULACJA PRĘDKOŚCI SILNIKA TRÓJFAZOWEGO Prędkość obrotową silników indukcyjnych wyraża się zależnością: f ( ) s p n - = 1 z której wynika, że prędkość tę można regulować zmieniając liczbę par biegunów magnetycznych p, częstotliwość f lub poślizg s.

Regulacja prędkości przez zmianę par biegunów jest możliwa w silnikach o specjalnej budowie (wielobiegunowych w których na tabliczkę zaciskową wyprowadzono początek, koniec i środek uzwojeń stojana , jednego lub wielu niezależnych, każdej fazy). Przy odpowiednim połączeniu zacisków stojana silniki te umożliwiają skokową regulację prędkości, tzn. uzyskanie dwu, trzech, a nawet czterech prędkości znamionowych. Regulacjętaką stosuje się tylko w silnikach klatkowych. Regulacja prędkości obrotowej przez zmianę częstotliwości polega na zasilaniu silnika za pośrednictwem przetwornicy częstotliwości lub tyrystorowego przemiennika częstotliwości. Należy pamiętać o zwiększeniu napięcia zasilającego, gdyż zachowany zostanie wówczas moment maksymalny silnika (U/f=const.).

f1>f2>f3>f4>f5 Charakterystyki mechaniczne silnika indukcyjnego przy zmianie częstotliwości napięcia stojanastosunku U/f=const n M o f1 f2 f3 f4 f5 f1>f2>f3>f4>f5 Regulacja prędkości obrotowej przez zmianę poślizgu można uzyskać w wyniku włączenia dodatkowej rezystancji w obwód wirnika. Jest ona możliwa tylko w silnikach pierścieniowych. Przy takiej regulacji wydziela się dużo ciepła w wirniku, stąd stosowana jest przy zmianach prędkości w małym zakresie lub niewielkich przedziałach czasu.

REGULACJA PRĘDKOŚCI SILNIKA DWUFAZOWEGO W silniku dwufazowym prędkość wirowania wirnik zależy od deformacji pola magnetycznego, które może zmieniać kształt z kołowego przez eliptyczne do oscylacyjnego. Zależy to od zasilania poszczególnych uzwojeń fazowych stojana. Prędkość możemy zmieniać przez: sterowanie amplitudowe - zmianę amplitudy napięcia sterującego sterowanie fazowe - zmianę fazy napięcia sterującego sterowanie amplitudowo - fazowe - włączenie kondensatora w obwód wzbudzenie i regulatora napięcia w obwód sterowania

ZMIANA KIERUNKU WIROWANIA W SILNIKACH TRÓJFAZOWYCH Zmianę kierunku wirowania uzyskuje się zamieniając między sobą dwa dowolne przewody zasilające dołączone do tabliczki zaciskowej U1 V1 W1 W2 V2 U2

ZMIANA KIERUNKU WIROWANIA SILNIK JEDNO - I DWUFAZOWY W celu zmiany kierunku wirowania wirnika w silniku dwufazowy należy zmienić kierunek prądu w jednym z uzwojeń, a nie zmieniać zacisków łączących silnik z siecią zasilającą