Działanie silnika indukcyjnego

W

S

em

c

M













1. Bieg synchroniczny



W

=



s

S

W

S

s











s -

poślizg

2. Bieg podsynchroniczny



W

<



s

w tworniku indukuje się zmienna sem

]

cos[

]

)

(

cos[

)

(

]

)

sin[(

)

(

)

(

max

max

max

t

s

s

z

t

z

t

dt

d

z

t

dt

d

t

e

S

S

S

S

S

W

S

S

S

W

S

S

W

S

S

W

























































Prąd twornika i

w

(t) jest przesunięty względem e

W

(t) o kąt



W

W

W

S

W

W

W

R

L

s

R

X









tg

W

S

em

c

M













(!)

Strumień magnetyczny wirnika



W

(t) wytwarzany jest przez

prąd wirnika a za-

tem przyjmi

jmy, że

|

)

(

|

|

)

(

|

1

t

i

c

t

W

W





zatem

zachodzi

)

2

sin(

)

cos(

)

cos(

t

s

t

s

t

s

S

W

S

W

W

S



























wartość strumienia

)

sin(

)

(

3

t

U

c

t

S

S

S







a zatem pozostaje określić sin <(



S

,



W

). Strumień wirnika ślizga się względem

pola stojana z prędkością s



S

oraz jest przesunięty o kąt

W







2

. Biorąc pod

uwagę tylko wartość amplitudy moment (bez uwzględnienia składowej zmiennej
w czasie) uzyskamy



























2

2

2

2

)

2

sin(

|

|

|

|

W

S

W

W

W

S

W

W

S

W

S

em

L

s

R

R

c

c

c

M











2

2

2

2

2

2

W

S

W

S

W

S

em

L

s

R

U

R

s

c

M











S

,



s



w

,



w

)

sin(

)

(

max

t

t

S

S

S









!

0

]

)

sin[(

)

(

)

(

max



















t

dt

d

z

t

dt

d

t

e

W

S

S

W





~

e

W

(t) R

W

L

W

e

W

(t)

,

i

w

(t)



W

1. M

em

~ U

S

2

2. M

em

= 0 gdy s=0 (bieg synchroniczny)

3. Maksimum gdy

W

S

W

kr

L

R

s







4. Moment maksymalny

W

S

emkr

L

U

c

M

2

2

2



(niezależny od R

W

!)

0 s

N

s

kr

s = 1

(postój silnika)



=



S



=0

M

em

M

kr

M

N

s

N

= 0.04

– 0.08,

s

kr

= 0.15

– 0.25

M

kr

= 1.7

– 2.2 M

N

M

r



0.25

– 0.35 M

N

R

W

<

R

W

’

<

R

W

’’

<

R

W

’’’

M

r

’’’

M

r

’’

M

r

’

M

r

0 s

N

s

kr

s = 1

M

N

Zakres zakres
stabilny niestabilny

rozruch ciężki

(maszyny skraw.)

rozruch lekki

went. pompy

Rozruch silników indukcyjnych

Moment rozruchowy mały (w silnikach pierścieniowych można zwiększyć przez dołą-

czanie rezystancji w obwód wirnika)

Zwykły silnik klatkowy
















Silnik klatkowy z głębokimi żłobkami












Silnik dwu-klatkowy

pręty
klatki lokalne pole
magnetyczne



W





S



W



0.5



S



W



0



W





S



W



0.5



S



W



0

M

s

s



W





S



W



0.5



S



W



0

s

M

M

Rozruch silników indukcyjnych (c.d.) przez zmianę podłączenia faz

I. Intencja zwiększenia momentu: przełączenie  



(ale b. duży prąd rozruchu!) obroty nominalne







II. Intencja obniżenia prądu rozruchu





(ale b. mały moment rozruchu!) obroty nominalne 





M

s

Prąd rozruchowy I

r



5

– 10 I

N

I



I



M



M

R R

U=220V

U=380V

U=220V

T S T S

Hamowanie silników indukcyjnyc

h

1. Hamowanie generatorowe (wirnik wiruje szybciej niż



S

)

praca silnikowa

M

kr

praca generatorowa

-1 - s

kr

0 s

kr

1 s

- M

kr

można to zrealizować przez zasilenie stojana prądem stałym, np. wyprostowanym

Zalety: prosta realizacja,

wada: mały moment hamujący przy niskich obrotach

L1



S

3 ~

LH

R

h

1 ~


2. Hamowanie przeciwprądem (konieczne ograniczenie prądu po przełączeniu

kierunku wirowania pola stojana

L

1

R

h

L

h

po zmniejszeniu prędkości do wartości bliskich 0 należy wyłączyć zasilanie.

Możliwości regulacji prędkości obrotowej w silnikach indukcyjnych

p

f

s

n

n

n

60

)

1

(





s

n

=0.03

– 0.08

1. Silniki wielobiegowe

– przełączalna liczba par biegunów

Zalety: prosta i niezawodna konstrukcja,

Wady: gorsze wykorzystanie obwodu magnetycznego, większa (ok. 10-15%)

masa od maszyny jedno-biegowej,

2. Połączenie Dahlandera

R

R

S

T

S

T

Połączenie prowadzi do powstania pary p’ = 2p biegunów w układzie trójkąta, za-
pewnia tą samą sprawność, przy czym M = 0.5 M



.

3. Sterowanie częstotliwością f

s

P N L Ł T F N

3 ~



4. Sterowanie poślizgiem w silnikach pierścieniowych

(rezystory rozruchowe umożliwiają rozruch i zmieniają poślizg!)

R S T




















4’’. Sterowanie (przesunięcie poślizgu nominalnego) – kaskada zaworowa

Każda z faz wirnika działa w uproszczeniu w następującym

układzie

3 ~



=0

o



1

<



0



2

<



1



2

<



3

M

obc



N

>



1

>



2

>



3

>



4



= 0



> 0

R

r

Mała sztywność charakterystyk dla większych
poślizgów, duże prądy wirnika, straty w rezysto-
rach rozruchowych, mała sprawość,

3 ~



=



=

3



P S



L

d

F S


Trafo

~

R

W

L

W

s E

S

~

k * E

S

k=0

,

k

1

>0

,

k

2

>

k

1

s=0 s=1

Zalety: b. dobra sztywność

ch-tyki mech.

b.d. sprawność,
praca maszyny jak
przy poślizgu nomin.

Wady: dość złożony układ,

dodatkowe trafo 3~,
dławik, F S.



Silnik indukcyjny jako obiekt regulacji

Sterowanie prędkością umożliwia zmiana prędkości wirowania pola stojana, tzn.



S



f





S





w

,



M

obc





w

,

S

W

S

p







/

)

(







U

S

........



M

em

,



M

em



I

W

=>



I

S

D

la poślizgów małych s << s

kr

)

1

(

1

2

)

(

W

kr

M

sT

p

s

G





wpływ zmian prędkości jest zależny od sprowadzonej bezwładności napędu B’



























Z

kr

W

W

W

W

M

M

f

M

M

B

B

R

L

T

BT

s

sB

sB

s

G

sB

s

G

s

G

'

,

1

1

'

1

)

(

1

'

1

)

(

)

(

2



wpływ zmian momentu obciążającego na zmiany prędkości

W

W

kr

krn

ob

S

Mo

BT

s

sB

sT

p

M

M

s

G

2

1

)

1

(

2

)

(























G

M

(s)

1/sB’

1/2





f/f

n

+



M

e

/M

n

-



M

o

/M



/



S

-

Elektroniczne elementy przełączające (dużej mocy)

Typ elementu

Prąd dopusz-
czalny [A]

Napięcie
wsteczne [kV]

Czas przełą-
czania [



s]

Spadek naięcia
na złączu [V]

Diody prostow-
nicze
szybkie
wielko-

prądowe

4000
2500
7000

2.8
1.4
0.2

6
4
-

0.6
0.5
0.45

Tyrystory
SCR
impulsowe
szybkie

4000
1000
400

5
3.5
2

650
55
20

1.1
1.2
1.2

Tranzystory
IGBT

400

1.2

1.6

0.8

Prostowniki sterowane

(o zmiennej wartości średniej napięcia)

Dobroć prostownika określa tzw. współczynnik kształtu k

f

skuteczna

wart

srednia

wart

I

I

k

sk

f

.

.





dla ideału (tzn. prądu =) k

f

=1

Prostownik jedno-pulsowy









Prostownik dwu-pulsowy mostkowy

R

odb

I





R

odb

Prostownik sześcio-pulsowy



3



R

odb



I

u, i k

f

=2.3

u, i k

f

=1.57

u, i k

f

=1.1

Prostownik 6-pulsowy sterowany (m

ożliwość zmiany wartości średniej napięcia)

3



L

d

R

Kąt wysterowania tyrystorów dla dodatnich po-
ziomów napięcia





<60

o

, 120

o

>

dla napięć ujemnych





<240

o

, 300

o

>



= 0

U

sr

= Umax



= 90

o

U

sr

=

0.5 Umax



= 120

o

U

sr

= 0



= 240

o

U

sr

= - Umax

2. Elektroniczne obniżanie napięcia

















3. Elektroniczne sterowanie rezystancją
R

0 T 2T

wysterowanie

80%

20%

okresu zwarcia R: 100% 60% 0%

efektywna wartość R: 0% 40% 80%

20% 100%

4. Sterowanie czasowe w obwodach prądu zmiennego

z rezystancją

u(t), i(t)

i(t)

u(t)

R



=45

o



=135

o



kąt zapłonu

t

3 ~

R S T

kąt zapłonu:



=0,



=



/2



=





=3



/4

napięcie : max, ~0.78, ~0.5, ~0.22



=45

o



=135

o

Tyrystor po podaniu
impulsu przewodzi po-
nieważ polaryzacja jest
odpowiednia

Tyrystor nie prze-
wodzi ponieważ
polaryzacja jest
zaporowa

4. Sterowanie czasowe w obwodach prądu zmiennego z rezystancją R i indukcyjno-

ścią L

U(t)

i

L

(t)

u

L

(t), i

L

(t) kąt zapłonu 0

o



kąt zapłonu

R

u

L

(t)

u

L

(t)

i

L

(t)

L

t



kąt zapłonu



~ 45

o

u

L

(t), i

L

(t)

u

L

(t)

i

L

(t)

t

kąt zapłonu



~ 135

o

u

L

(t), i

L

(t)

u

L

(t)

i

L

(t)

t

zakres dodat-
niej polaryza-
cji tyrystora

Rozszerzenie zakresu
dodatniej polaryzacji po-
wodowane przez efekt
samoindukcji cewki L

Sterowanie silnikiem prądu stałego

W

U

t

I

t

E

zas

D

I

sr



wzb

.

R

w

Wzb.

I

E

I

D

I

E

I

D

I

E

I

D

I

E

Sterowany wyłącznik tyrystorowy

D

1

R

d

C

K

L

K

D

2

U

U

K



2U

D

3

T

G

T

P

D

4

Sterowanie wypełnieniem zmiennym w czasie – płynne zwiększanie

lub zmniejszanie prędkości

1. T

G

zwarty, silnik pracuje,

następuje ładowanie C

K

przez L

K

do wartości



2U.

Po naładowaniu C

K

nie może się

rozładować bo diody D

2

i D

4

są

podłączone zaporowo.

2. Podawany jest impuls wyzwalaj

ą-

cy na T

P

, który zwiera i podaje na

anodę T

G

napięcie o wartości



2U ale skierowane w kierunku
zaporowym, T

G

przestaje prze-

wodzić, C

K

rozładowuje się, przez

T

P

i D

3

,

3.

Silnik się kręci i przez diodę D

1

podtrzymywa

ny jest przepływ

prądu, który może zaniknąć cał-
kowicie jeśli nie

4.

Następuje ponowne zapalenie T

G

,

ładowanie C

K

, itd.

U

Z

I

Ł

,

I

r

,

n

sr

Zasilanie silników prądu zmiennego


























Sterowanie z wykorzystaniem szybkich tranzystorów przełączających IGBT
+

TG

U

TP

TP

TG

Układ sterujący wyzwalaniem tyrystorów dla kolejnych faz

U/2


0


U/2

U(t) 0

R

S

T