Silniki elektryczne*)

Podstawy funkcjonowania

W największym uproszczeniu, za silnik elektryczny możemy przyjąć model składający się z dwóch magnesów trwałych: zewnętrznego reprezentującego stojan i wewnętrznego odpowiadający wirnikowi silnika.

Ten najprostszy model silnika zawiera tylko 2 bieguny (1 para), a składowe pola magnetyczne wytwarzane są przez magnesy trwałe. W rzeczywistych silnikach w zależności od ich rodzaju zastępuje się magnesy trwałe odpowiednimi uzwojeniami dla wirnika lub/i stojana, które zasila się prądem stałym lub przemiennym. Zwiększa się również liczba par biegunów. Jeżeli magnes wirnika posiadający swobodę ruchu, ustawiony zostanie w dowolnym położeniu względem magnesu stojana, przytwierdzonego do jakiejś nieruchomej obudowy, to pod wpływem działania sił magnetycznych pojawi się moment obrotowy, który obróci wirnik w położenie, w którym siły magnetyczne się zrównoważą.

Silniki prądu stałego

Podstawowe elementy silnika:

• magnes lub elektromagnes,
   - umieszczona pomiędzy biegunami magnesów ramka,
   - komutator (służy do zmiany kierunku prądu),
   - szczotki (doprowadzają prąd do komutatora),

Produkowane obecnie silniki prądu stałego w zdecydowanej większości są to tzw. maszyny komutatorowe. Istnieje jeszcze inna konstrukcja tzw. maszyny unipolarne, ale jest ona rzadko stosowana, ponieważ może być stosowana tylko dla małych napięć zasilających. Wirnik silnika prądu stałego wykonany jest w kształcie walca, na powierzchni, którego znajdują się żłobki. W żłobkach tych umieszczane jest uzwojenie, a następnie jest on zamykany za pomocą specjalnych klinów, zapobiegając w ten sposób wypadnięciu podczas wirowania. Rdzeń żłobka, w celu osiągnięcia lepszych właściwości magnetycznych, wykonywany jest z pakietowanych blach.

W silniku komutatorowym prądu stałego uzwojenie wzbudzenia znajduje się w stojanie natomiast uzwojenie twornika w wirniku (w silniku synchronicznym jest odwrotnie). Komutator pełni rolę prostownika mechanicznego. Pole magnetyczne wzbudzenia uzyskuje się zasilając uzwojenia stojana prądem stałym. Stojan oprócz biegunów i uzwojeń głównych wytwarzających główne pole magnetyczne posiada także bieguny pomocnicze, na których nawinięte jest uzwojenie pomocnicze, która jest połączone równolegle z uzwojeniem wirnika. Zadaniem tego uzwojenia jest wyeliminowanie pewnych niekorzystnych zjawisk spowodowanych oddziaływaniem wirnika, związanych ze zmiana rozkładu indukcji magnetycznej pod biegunami, mogących objawiać się nadmiernym iskrzeniem przy ocieraniu szczotek o komutator.

Moment obrotowy działający na jedną krawędź ramki M = F  r sinα          

gdzie:       

• r - wektor ramienia siły

• F- wektor siły.

• α- kąt pomiędzy wektorem siły i wektorem ramienia.

*)Opracowano na podstawie materiałów Marcina Urbaniaka z Politechniki Poznańskiej

Strony internetowe

http://silnikielektryczne.prv.pl/html/silniki_-_wstep.html

http://silnikielektryczne.prv.pl/html/silnik_dc.html

http://www.mabuchi-motor.co.jp/en_US/technic/t_0102.html

http://www.physclips.unsw.edu.au/jw/electricmotors.html

http://www.electricmotors.machinedesign.com/BDEList.aspx

http://www.reliance.com/mtr/mtrthrmn.htm

http://bass.gmu.edu/~pceperle/WebProjectsSpr03/AlballamAlnajadah-ElectricMotors/main.html

Silniki Prądu przemiennego

Warunkiem koniecznym działania silnika prądu zmiennego jest wytworzenie pola wirującego. Pole wirujące charakteryzuje się tym, że jego oś wiruje względem układu odniesienia (względem stojana), a zwrot pozostaje stały wzdłuż osi.

Pole wirujące możemy uzyskać zarówno przy zasilaniu 1-fazowym jak i 3-fazowym. Zasilenie trzech uzwojeń stojana napięciem trójfazowym, powoduje powstanie trzech pól pulsujących, z tą samą częstotliwością, ale przesuniętych w fazie. Dodając wektory pól pulsujących otrzymamy wypadkowy wektor, który będzie wirował wokół osi obrotu. W przypadku zasilania 3-fazowego nie potrzeba dokonywać żadnych dodatkowych zabiegów w silniku, aby uzyskać pole wirujące. Przebiegi poszczególnych faz zasilających są przesunięte względem siebie o 2Π/3 (120 stopni), co zapewnia takie same przesunięcie przebiegów pulsowania wektorów pól magnetycznych wytwarzanych przez poszczególne uzwojenia. W przypadku zasilania 1-fazowego trzeba sztucznie stworzyć warunki niezbędne do powstania pola wirującego. W większości przypadków realizuje się to przez zastosowanie dwóch uzwojeń, głównego i pomocniczego(rozruchowego). Uzwojenia są przesunięte względem siebie na obwodzie maszyny o kąt elektryczny Π/2 (90 stopni). Również prądy zasilające uzwojenia są przesunięte w fazie o Π/2. Takie przesuniecie prądów można uzyskać poprzez podłączenie jednego z uzwojeń przez kondensator. Wypadkowe pole wirujące w obu przypadkach powstaje poprzez zsumowanie wektorów pól składowych.

Prędkość obrotowa silnika

Jest zależna przede wszystkim od częstotliwości napięcia zasilającego oraz od zasady działania i budowy silnika.

Dla tzw silników synchronicznych w których pole jest generowane tylko przez jedną parę biegunów magnetycznych

(p=1) powstaje pole, które wiruje z częstotliwością sieci

Dla maszyn o większej liczbie p par biegunów pole wewnątrz silnika wiruje p razy wolniej

n₁= f•60/p [obr/min]

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

Ze względu na sposób wykonania wirnika rozróżnia się dwa rodzaje silników indukcyjnych:

• klatkowe

• pierścieniowe.

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).

Klatka stanowi wielofazowe uzwojenie wirnika, a za liczbę faz wyznacza liczba prętów, z których jest wykonana

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, softstarty), 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.

Zasada działania

• 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.(patrz zjawisko indukcji elektromagnetycznej).

• Przepływ prądu w polu magnetycznym powoduje powstanie siły elektrodynamicznej (patrz zjawisko powstawania 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.

A więc w skoro prędkości wirnika i stojana są różne, oznacza to, że w tym modelu stojan, a w rzeczywistości pole wirujące wytwarzane przez stojan, obraca się z pewną prędkością względem wirnika. Występuje zatem poślizg ruchu obrotowego wirnika względem pola wirującego

Poślizg s wyraża się wzorem:

lub w %

Gdzie:

• n₁ - prędkość wirowania pola wytworzonego przez stojan,

• n - prędkość obrotowa wirnika,

Charakterystyka mechaniczna

Charakterystykę mechaniczną silnika asynchronicznego określa tzw. wzór Klossa:

Gdzie: M - moment przy którym występuje poślizg s,

M_k - moment krytyczny przy którym występuje poślizg krytyczny

Rozruch silników asynchronicznych

Wiele silników asynchronicznych posiada wyprowadzone początki i końce uzwojeń stojana daje to możliwość wykorzystania faktu, że pobór mocy odbiornika przy połączeniu w gwiazdę jest 3-krotnie mniejszy niż przy połączeniu w trójkąt. Zatem silniki średnich mocy można uruchamiać najpierw łącząc je w gwiazdę a po uzyskaniu znaczącej prędkości obrotowej przełączając ich uzwojenia w trójkąt.

Połączenie w gwiazdę:

Połączenie w trójkąt:

„Miękki” rozruch silników z zastosowaniem „softstartu”

Do łagodnego rozruchu 3-fazowych silników indukcyjnych stosuje się ostatnio specjalizowane urządzenia energoelektroniczne, 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 kontrolę i możliwość nastawienia wielu parametrów takich jak czas rozruchu, wartość początkowego momentu rozruchowego,  kolejności faz. Poprzez pomiar temperatury umożliwiają również możliwość samoczynnego wyłączenia silnika w chwili przegrzania.

Zmiana prędkości obrotowej silników.

• Dla silników klatkowych poprzez przełączanie uzwojeń aby uzyskać zmianę liczby par biegunów magnetycznych stojana. Daje to skokową możliwość regulacji prędkości.

P	1	2	3	4	6	8	10
n	3000	1500	1000	750	500	375	300
n1	2880	1440	960	720	480	360	288

Gdzie: p -liczba par biegunów, n - prędkość obrotowa synchroniczna (poślizg = 0), n₁ - prędkość obrotowa asynchroniczna dla poślizgu s=0,04

• Dla silników klatkowych płynną regulację prędkości obrotowej można uzyskać poprzez płynną zmianę częstotliwości zasilania. Dla prawidłowej pracy silnika a więc utrzymywanie stałej wartości momentu obrotowego na wale napędowym konieczne jest utrzymywanie stałej wartości stosunku wartości skutecznej napięcia zasilającego do częstotliwości U/f=const




Charakterystyki mechaniczne przy U/f = const




---