SILNIKI

INDUKCYJNE

SILNIKI INDUKCYJNE

• WIADOMOŚCI OGÓLNE
• KLASYFIKACJA
• BUDOWA SILNIKA
• ZASADA DZIAŁANIA
• CHARAKTERYSTYKI
• ROZRUCH
• REGULACJA PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ
• ZMIANA KIERUNKU WIROWANIA
• WADY, ZALETY

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

P I E R Ś C I E N I O W E

J E D N O K L A T K O W E Z W Y K Ł E
J E D N O K L A T K O W E G Ł Ę B O K O Ż Ł O B K O W E
D W U K L A T K O W E

K L A T K O W E

L I N I O W E

T R Ó J F A Z O W E

J E D N O K L A T K O W E

K U B E Ł K O W E

D W U F A Z O W E

K L A T K O W E

J E D N O F A Z O W E

S I L N I K I I N D U K C Y J N E

BUDOWA SILNIKA

INDUKCYJNEGO

obudowa

wał

obudowa tabliczki

zaciskowej

tabliczka znamionowa

Tabliczka znamionowa

zawiera podstawowe

informacje o silniku:



znamionowe parametry elektryczne (prąd,

napięcie,częstotliwość,
współczynnik mocy),



znamionowe parametry mechaniczne (moc,

sprawność, prędkość wirowania, masa),



informacje uzupełniające (typ silnika, nazwa lub

symbol producenta, rok produkcji, numer
fabryczny)

Tabliczka zaciskowa

zawiera zaciski przyłączeniowe,za pomocą

których obwody elektryczne maszyny łączą się z siecią zasilającą.
Silniki indukcyjne trójfazowe mają zazwyczaj sześć zacisków ,do
których są przyłączone końce uzwojeń
stojana. Początki uzwojeń oznacza się
literami U1, V1, W1, a odpowiednie
końce U2, V2, W2.

Wał napędowy

to element, który jest mechanicznie

łączony
z urządzeniem napędzanym i za jego pośrednictwem
wytwarzana
w silniku energia mechaniczna przekazywana jest
temu urządzeniu

Obudowa

silnika

stanowi

ochronę

przed

szkodliwym
oddziaływaniem środowiska na silnik oraz ochronę
środowiska
( w tym człowieka) przed zagrożeniami jakie stwarza
silnik

BUDOWA SILNIKA

TRÓJFAZOWEGO KLATKOWEGO

tarcza łożyska

wirnik klatkowy

uzwojenia stojana

pierścień klatki

wał

kadłub

Rdzeń stojana

tarcza łożyska

BUDOWA SILNIKA

blachy stojana

szczelina powietrzna

blachy wirnika

OBWÓD MAGNETYCZNY

BUDOWA SILNIKA

uzwojenia stojana

opornik rozruchowy

uzwojenia wirnika

Pierścienie i szczotki

OBWODY ELEKTRYCZNE

BUDOWA SILNIKA

W silnikach pierścieniowych wirnik jest uzwojony trójfazowo.

Uzwojenia te połączone są w gwiazdę, a końce gwiazdy wyprowadzone

są do pierścieni ślizgowych.

wał

uzwojenie

blachy wirnika

pierścienie ślizgowe

WIRNIK SILNIKA PIERŚCIENIOWEGO

BUDOWA SILNIKA

W silnikach klatkowych

wirnik ma

uzwojenia w postaci

prętów

zwartych na końcach.

WIRNIK SILNIKA KLATKOWEGO

sprzęgło

wał

Pręty klatki

pierścień klatki

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

BUDOWA SILNIKA

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

SILNIKI JEDNOFAZOWE

BUDOWA SILNIKA

SILNIK JEDNOFAZOWY O RÓWNOMIERNEJ SZCZELINIE

POWIETRZNEJ

Wirnik klatkowy

stojan

Rozłożone uzwojenia

stojana

BUDOWA SILNIKA

SILNIK JEDNOFAZOWY Z UZWOJENIEM POMOCNICZYM

ZWARTYM

stojan

z uzwojeniem

głównym

wirnik

biegun

uzwojenia

pomocniczego

uzwojenie

pomocnicze

rdzeń

stojana

wał

BUDOWA SILNIKA

wirnik

półnabiegunnik

Uzwojenie

główne

OBWÓD MAGNETYCZNY SILNIKA JEDNOFAZOWEGO

Zwój zwarty

Rdzeń stojana

BUDOWA SILNIKA

OBWÓD ELEKTRYCZNY SILNIKA JEDNOFAZOWEGO

kondensator

rozruchowy

wirnik

uzwojenie

główne

uzwojenie

pomocnicze

BUDOWA SILNIKA

Silniki dwufazowe mają dwufazowe uzwojenie stojana
i równomierną szczelinę powietrzną. Zwykle uzwojenia
stojana są jednakowe i przesunięte o kąt elektryczny 90

0.

Wirniki silników dwufazowych mogą być :

 jednoklatkowe

- wykonane podobnie jak w silnikach

trójfazowych,

 kubełkowe

- aluminiowe cienkościenne uzwojenie

w kształcie kubka, w którego wnętrzu, dla zmniejszenia
prądu magnesującego jest umieszczony rdzeń zwiększający
opór magnetyczny

SILNIK INDUKCYJNY DWUFAZOWY

BUDOWA SILNIKA

SILNIK DWUFAZOWY KUBEŁKOWY

kubek wirnika

uzwojenia stojana

Rdzeń stojana

rdzeń wewnętrzny

BUDOWA SILNIKA

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 INDUKCYJNY LINIOWY

BUDOWA SILNIKA

SILNIK LINIOWY Z DWUSTRONNYM WZBUDNIKIEM

wzbudnik

biegnik

uzwojenia

ZASADA DZIAŁANIA

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.

POLE WIRUJĄCE

ZASADA DZIAŁANIA

t=0

t=1/12T

t=1/6T

t=1/4T

t=1/3T

t=1/2T

t=2/3T

POŁOŻENIE OSI WYPADKOWEGO POLA STOJANA ZASILANEGO

TRÓJFAZOWO

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

Wypadkowe pole

stojana

ZASADA DZIAŁANIA

Różnica między prędkością pola

wirującego(synchroniczną) n

s

,

a prędkością wirnika n podzielona przez n

s,

nazywa się poślizgiem

s

s

n

n

n

s





s- poślizg, n

s

-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

ZASADA DZIAŁANIA

Równanie ruchu elektromechanicznego

M= M

d

+M

m

M

- moment elektromagnetyczny;

M

d

- moment dynamiczny;

M

m

-moment mechaniczny;

M

obc

-moment obciążenia;

M

o

-moment

strat własnych;

J

-moment bezwładności układu wirującego;

-zmiana prędkości wirnika w czasie dt.

 

dt

t

d

m



M

d

=J ;M

m

=M

obc

+M

o

 

dt

t

d

m



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

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 90

0

. Oba uzwojenia są zasilane tym samym

napięciem fazowym.

JEDNOFAZOWEGO

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

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.

DWUFAZOWEGO

ZASADA DZIAŁANIA

SILNIKA

Silnik indukcyjny liniowy działa na takiej samej zasadzie jak silnik

indukcyjny o ruchu obrotowym z wirnikiem klatkowym. Pole

elektromagnetyczne wytworzone przez prądy płynące w uzwojeniu

wzbudnika 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.

LINIOWEGO

CHARAKTERYSTYKI

Właściwości ruchowe silników

przedstawia się zazwyczaj w postaci:



charakterystyki mechanicznej



charakterystyki roboczej

M

n

n

k

n

N

n

S

M

max

M

N

M

r

charakterystyka mechaniczna

to zależność momentu

obrotowego

silnika M od prędkości obrotowej n.

M

r

-moment rozruchowy

M

max

-moment maksymalny

M

N

-moment znamionowy

n

k

-prędkość krytyczna

n

N

-prędkość znamionowa

n

S

-prędkość synchroniczna

Zakres pracy silnika od biegu jałowego aż do obciążenia znamionowego

znajduje się na części charakterystyki zawartej między prędkością

synchroniczną n

S

a znamionową n

N

Przy małym obciążeniu silnik pobiera dość znaczny prąd,

a sprawność

i współczynnik mocy silnika są niewielkie ( przy biegu

jałowym I

0

wynosi 25-50% I

N

, a cos





maleje z 0,85 do ok.

0,1).

Charakterystyki

robocze

to zależność prędkości

obrotowej n,sprawności



momentu obrotowego M,

poślizgu s, prądu

pobieranego

przez silnik I,

współczynnika mocy cos

 od mocy oddawanej

na wale silnika P

2

.

Charakterystyki te

wyznacza się przy warunkach znamionowych
zasilania





cos

n





s

n,cos,,

I,M,s

P

2

P

N

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 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
(M

obc

/M

N

>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.

ROZRUCH SILNIKA

KLATKOWEGO

n

n

S

n











obc



Przebieg momentu obrotowego i prądu

podczas rozruchu silnika klatkowego

za pomocą przełącznika gwiazda - trójkąt

M

U

1

V

1

U

2

V

2

W

1

W

2

Schemat przyłączenia silnika

z przełącznikiem trójkąt - gwiazda

M - moment obrotowy i I - prąd
stojana przy połączeniu w trójkąt, M -
moment obrotowy i I - prąd stojana
przy połączeniu w gwiazdę, M

obc

-moment obciążenia

Rozruch za pomocą rozrusznika stojanowego

polega na

włączeniu

w obwód stojana opornika o zmiennej rezystancji. Podobnie jak

w przypadku przełącznika gwiazda - trójkąt zarówno moment jak

i 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

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

Rozruch silnika pierścieniowego z zastosowaniem

rozrusznika czterostopniowego 



n

n

s

R

4

R

3

R

2

R

1

Przebieg momentu obrotowego

M

Przebieg prądu rozruchowego

I

n

n

s



R

4

R

3

R

2

R

1

R

4

>R

3

>R

2

>R

1

REGULACJA PRĘDKOŚCI

Prędkość obrotową silników indukcyjnych wyraża się zależnością:

f









s

p

s

n

n

s









1

1

z której wynika, że prędkość tę można regulować zmieniając

liczbę par biegunów magnetycznych p, częstotliwość f lub poślizg s.

SILNIKA TRÓJFAZOWEGO

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, t.zn. uzyskanie dwu,

trzech, a nawet czterech prędkości znamionowych.Regulację

taką 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.).

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 w niewielkich przedziałach czasu

n





f

1

f

2

f

3

f

4

f

5

f

1

>f

2

>f

3

>f

4

>f

5

Charakterystyki mechaniczne

silnika indukcyjnego przy zmianie

częstotliwości napięcia stojana

stosunku U/f=const

REGULACJA PRĘDKOŚCI

SILNIKA

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

DWUFAZOWEGO

ZMIANA KIERUNKU

WIROWANIA

Zmianę kierunku wirowania

uzyskuje się zamieniając między sobą dwa

dowolne przewody

zasilające dołączone do tabliczki zaciskowej

U

1

V

1

W

1

W

2

V

2

U

2

U

1

V

1

W

1

W

2

V

2

U

2

W SILNIKACH TRÓJFAZOWYCH

ZMIANA KIERUNKU

WIROWANIA

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

SILNIK JEDNO- I DWUFAZOWY

ZALETY I WADY SILNIKÓW

INDUKCYJNYCH

zalety:


prosta konstrukcja



niezawodne działanie



małe koszty produkcji



i eksploatacji



niewielka zmienność prędkości



obrotowej przy zmianach obciążenia



duża przeciążalność



prosty rozruch

wady:


duży prąd rozruchu



mały współczynnik mocy



mała sprawność przy małym



obciążeniu



trudna regulacja prędkości

KLATKOWE

ZALETY I WADY

SILNIKÓW

INDUKCYJNYCH

zalety:


mniejszy od klatkowych prąd

rozruchowy przy większym
momencie rozruchowym



niewielka zmienność prędkości

obrotowej przy zmianach obciążenia



duża przeciążalność



możliwość regulacji prędkości

wady:


skomplikowana budowa



duże koszty



mały współczynnik mocy



mała sprawność przy małym

obciążeniu



trudny rozruch



wrażliwość na zmiany

napięcia

PIERŚCIENIOWE