d r i e k t
p zoaj Å‚
projekt instalacji silnika
trójfazowego klatkowego
mgr inż. Julian Wiatr, inż. Marcin Orzechowski
ilniki indukcyjne zwarte (klatkowe) mają najprostszą budowę spośród
Swszystkich silników elektrycznych. Prosta jest również ich eksploatacja,
dlatego są one powszechnie stosowane w różnych układach napędowych.
Prędkość obrotową w tych silnikach można wyrazić następującym wzorem:
60Å"f
n = (1- s)
p
gdzie:
f  częstotliwość napięcia zasilającego, w [Hz],
p  liczba par biegunów silnika, w [-],
s  poślizg, w [-] ( może być również wyrażony w [%]).
Prędkość ta różni się od prędkości synchronicznej pola wirującego o wartość
poślizgu, która w silnikach indukcyjnych zwartych wynosi 1,5  5 %.
Rys. 1 Charakterystyka mechaniczna silnika klatkowego przy dwustrefowym stero-
Prędkość obrotową w tego rodzaju silnikach możemy regulować zmieniając
waniu częstotliwościowym [1]
częstotliwość napięcia zasilającego. Możliwa jest również zmiana prędkości
przez zmianę napięcia zasilającego, ale tylko  w dół . Zwiększenie napięcia po- miast przekroczenie przez moment obciążenia wartości nominalnej momen-
wyżej wartości nominalnej grozi uszkodzeniem izolacji uzwojeń. Zmiany pręd- tu obrotowego silnika skutkuje gwałtownym spadkiem prędkości obrotowej,
kości obrotowej przez zmianę częstotliwości realizowane są z wykorzystaniem a tym samym zwiększeniem pobieranego z sieci prądu. Zależność prędkości
układów przekształtnikowych. Charakterystykę mechaniczną silnika klatko- obrotowej silnika indukcyjnego zwartego od momentu obciążenia M przed-
B
wego przy sterowaniu częstotliwościowym przedstawia rysunek 1. stawia rysunek 2.
Z przedstawionej charakterystyki wynika, że zwiększanie częstotliwości Moment obrotowy silnika indukcyjnego zwartego zależy od jego prędko-
ponad wartość nominalną (50 Hz) wymaga również zwiększania napięcia ści obrotowej i może zostać przedstawiony w postaci charakterystyki M=f(n),
zasilającego, co jest niemożliwe ze względu na zwiększający się pobór prą- przedstawionej na rysunku 3.
du magnesującego, wzrost strat oraz niebezpieczeństwo uszkodzenia izola- Urządzenie napędzane stawia opór w postaci momentu oporowego M .
B
cji uzwojeń. Napięcie w II strefie sterowania nie może zatem ulec zwiększe- Warunek poprawnej pracy silnika jest spełniony, gdy zostanie zachowana
niu ponad wartość nominalną. Zwiększenie częstotliwości powyżej wartości zależność:
nominalnej powoduje zmniejszenie momentu maksymalnego oraz momen-
M e"M
S B
tu nominalnego. Wiele silników jest stosowanych w prostych układach napę-
dowych, gdzie silnik z napędzanym urządzeniem stanowi sztywne połącze- gdzie:
nie (obrabiarki, piły tarczowe itp.). Prędkość obrotowa silnika w takich napę- M  moment obrotowy silnika,
s
dach zmienia się w niewielkich granicach w zależności od obciążenia. Nato- M  moment oporowy (obciążenia).
B
Rys. 3 Zależność M=f(n): M  moment rozruchowy, M  najmniejszy moment
r min
Rys. 2 Zależność n=f(MB): M  moment nominalny, n  nominalna prędkość ob- obrotowy silnika, M  największy moment obrotowy silnika przy zasilaniu
n n max
rotowa silnika napięciem nominalnym, n  prędkość synchroniczna [5]
s
w w w. e l e k t r o . i n f o . p l n r 7 - 8 / 2 0 0 5
70
Rys. 4 Charakterystyki momentu obrotowego silnika indukcyjnego klatkowego dla
różnych wartości napięcia zasilającego
Rys. 5 Charakterystyka prÄ…du rozruchowego silnika indukcyjnego klatkowego [5]
Rodzaj rozruchu silnika Dopuszczalna wartość spadku napięcia "U, w [%]
Rozruch lekki 35
Rozruch ciężki, rzadki 15
Rozruch ciężki, częsty 10
Tab. 1 Dopuszczalne wartości spadków napięć podczas rozruchu silnika indukcyjne-
go klatkowego
Moment obrotowy silnika indukcyjnego jest proporcjonalny do kwadratu
napięcia zasilającego, co można wyrazić następującą zależnością:
M= cÅ"U2
gdzie:
c  stała silnika.
Nieznaczne zmniejszenie napięcia zasilającego powoduje znaczne zmniej-
szenie momentu obrotowego silnika. Dla przykładu, zmniejszenie napięcia
zasilajÄ…cego silnik zaledwie o 10 % powoduje zmniejszenie momentu obroto-
2
wego o 19 % (M=cÅ"(0,9 U )2=cÅ"0,81 U ). Zmiana momentu obrotowego powo-
n n
duje nieznaczne zmniejszenie prędkości obrotowej silnika, co skutkuje wzro-
stem prÄ…du pobieranego ze z
ródła zasilającego.
Wzrost prądu powoduje zwiększenie strat oraz grzanie się uzwojeń, w skraj-
nym przypadku doprowadzające do zniszczenia izolacji uzwojeń i stwarzające
zagrożenie porażeniowe i pożarowe. Podobne skutki powoduje zwiększenie na-
pięcia ponad wartość nominalną. Dlatego też napięcie zasilające silnik induk-
cyjny musi spełniać warunek U ą5 %. Moment rozruchowy w silnikach klat-
n
kowych zawiera siÄ™ w granicach 1,0  2,5 M .
n
Zbyt niskie napięcie zasilające podczas rozruchu może uniemożliwiać uruchomie-
nie silnika. Problemy te pojawiają się szczególnie wtedy, gdy moment rozruchowy
jest nieznacznie większy od momentu oporowego (obciążenie). W takim przypadku
n r 7 - 8 / 2 0 0 5 w w w. e l e k t r o . i n f o . p l
71
p r o j e k t
nawet nieznaczne obniżenie napięcia zasilającego może uniemożliwić uruchomie- w silnikach klatkowych o mo-
nie silnika lub znacznie przedłużyć jego rozruch i w konsekwencji skutkować nad- cy większej niż 5 kW należy
miernym nagrzaniem izolacji uzwojeń lub zniszczeniem silnika. stosować układy rozruchowe
Niekorzystną cechą silników klatkowych jest ich duży prąd rozruchowy, ze względu na silne obciąża-
który wynosi (4  8) I (gdzie: I  prąd nominalny silnika, w [A]), w zależno- nie sieci zasilającej i negatyw-
n n
ści od mocy oraz konstrukcji silnika. ny wpływ na odbiorniki wraż-
Duży prąd rozruchowy wynika z fizyki działania silnika. W chwili załączenia liwe na spadki napięć spowo-
napięcia zasilającego silnik, jedynym oporem dla płynącego prądu są niewiel- dowane prądami rozruchowy-
kie rezystancje uzwojeń stojana. Wraz z upływem czasu indukuje się w nich mi (np. żarówki, itp.).
siła elektromotoryczna przeciwindukcji i wartość płynącego przez uzwojenia Spośród kilku stosowanych
prądu ulega stabilizacji. Uzyskanie wartości nominalnej jest uzależnione od sposobów rozruchu, najbardziej
prędkości obrotowej silnika, co zostało przedstawione na rysunku 5. popularnym jest rozruch silni-
Wartość prądu rozruchowego ulega zmniejszeniu wraz z upływem czasu, aż ka w układzie przełącznika
w końcu ulega stabilizacji na poziomie wartości I , co następuje po osiągnięciu gwiazda/trójkąt. Wówczas roz-
n
przez silnik nominalnej prędkości obrotowej. Na uwagę zasługuje fakt, że obcią- ruch silnika odbywa się począt-
żenie silnika nie wpływa na wartość prądu rozruchowego, a jedynie na czas trwa- kowo przy połączeniu uzwojeń
nia rozruchu. Czas rozruchu dłuższy niż 15 sekund [5] może być powodem nad- stojana w gwiazdę, a następnie
miernego wzrostu temperatury uzwojeń, co powinno być uwzględnione podczas przełącza się je do połączenia
projektowania instalacji zasilającej silnik. Zgodnie z aktualną wiedzą techniczną, w trójkąt. W czasie rozruchu
uzwojenia silnika zasilane sÄ…
3 Rys. 6 Połączenia uzwojeń silnika klatkowe-
napięciem mniejszym o ,
go przy rozruchu z przełączaniem gwiaz-
dlatego prÄ…dy pobierane z sieci
da/trójkąt
zasilajÄ…cej sÄ… trzykrotnie mniej-
sze. Skutkuje to również trzykrotnie mniejszym momentem rozruchowym, co
sprawia, że rozruch ten jest stosowany przy rozruchu silników nieobciążonych
(tzw. rozruch lekki).
W niektórych przypadkach rozruch silnika musi odbywać się przy obcią-
żeniu, które niejednokrotnie jest dość duże (napęd windy, pompy głębinowe,
itp.). Wówczas stosuje się silniki o innej konstrukcji (dwuklatkowe lub głębo-
kożłobkowe), w których współczynnik prądu rozruchowego k d"3, dzięki cze-
r
mu nie ma potrzeby stosowania układów rozruchowych. W takich silnikach
moment rozruchowy jest znacznie większy niż w silnikach o wykonaniu nor-
malnym. Czytelników zainteresowanych tą problematyką zachęcamy do przej-
rzenia literatury wyszczególnionej na www.elektro.info.pl.
Podczas projektowania instalacji zasilającej silnik należy pamiętać, że współ-
czynnik mocy biernej silnika podczas rozruchu znacznie się różni od wartości
nominalnej. Ma on duży wpływ na wartość spadku napięcia w przewodach
P
cosÕ = f Å"( )
Rys. 7 Zależność silnika indukcyjnego klatkowego [5]
Pn zasilających silnik. Można go wyrazić następującą zależnością:
Objaśnienia: 1  nieprzewodząca obudowa o pojemności 24 moduły IP55. Uwaga,
przyciski sterownicze wł/wy zostały zainstalowane w rozdzielnicy do celów dydak-
tycznych. Przy realizacji projektu należałoby je umieścić w osobnej obudowie o stop-
niu szczelności IP55
Rys. 8 Plan instalacji Rys. 11 Schemat montażowy RS
w w w. e l e k t r o . i n f o . p l n r 7 - 8 / 2 0 0 5
72
cosÕ  nominalny współczynnik mocy biernej silnika, w [-].
n
Wartość tego współczynnika zawiera siÄ™ w przedziale 0,1÷0,4 i zależy od
mocy silnika i jego konstrukcji. Zależność współczynnika mocy biernej silni-
ka klatkowego w zależności od obciążenia przedstawia rysunek 7.
Podczas projektowania instalacji zasilającej silnik należy dobrać przewody za-
silające na długotrwałą obciążalność prądową i przeciążalność na warunek zwar-
ciowy, warunek samoczynnego wyłączenia oraz spadek napięcia. Przy doborze sil-
ników należy jednak pamiętać, by pracowały one odpowiednio obciążone (opty-
malne obciążenie występuje wówczas, gdy moment obciążenia M jest nieznacz-
B
nie mniejszy lub równy momentowi nominalnemu silnika M ). Silnik obciążo-
n
ny momentem niższym niż znamionowy powoduje pobór większej mocy bier-
nej w stosunku do jej wartości nominalnej. Szczególnie duża wartość mocy bier-
nej jest pobierana przez silnik pracujący w stanie jałowym, dlatego należy unikać
długotrwałej pracy silników na biegu jałowym (rys. 7). Zjawisko to powoduje ko-
nieczność stosowania nadążnej kompensacji mocy biernej w obiektach, w których
występuje duża liczba silników (zakłady produkcyjne, lotniska itp.).
Rys. 12 Diagram czasowy rozruchu i zatrzymania silnika
Częstym błędem popełnianym przez projektantów instalacji jest pomija-
nie w obliczeniach warunku spadku napięcia w przewodach zasilających sil-
·n kMr
nik podczas jego rozruchu. Podczas prowadzenia obliczeń związanych z do-
cosÕr = cosÕn ( + 0,025Å" kr )
1- sn kr
borem przewodów zasilających silnik oraz ich zabezpieczeń, należy przepro-
gdzie: wadzić obliczenia spadku napięcia dla dwóch przypadków:
s  poślizg nominalny silnika, w [-], a) w czasie rozruchu:
n
·  sprawność nominalna silnika, w [-],
n
100Å" 3
"U = (R Å"cosÕr - X Å"sinÕr )Å"Ir d" "Udop
Ir
Un
kr =
- krotność prądu rozruchowego silnika, w [-],
In
gdzie:
Mr
kMr =
R  rezystancja obwodu zwarciowego, w [&!],
- krotność momentu rozruchowego silnika, w [-],
Mn
reklama
n r 7 - 8 / 2 0 0 5 w w w. e l e k t r o . i n f o . p l
73
p r o j e k t
X  reaktancja obwodu zwarciowego, [&!],
Pn 7500
, w [-].
sinÕ = 1- cos2 Õr
r In = = = 15,04 A
3 Å"Un Å"cosÕn Å" · 3 Å"400Å"0,8Å"0,9
=
b) w warunkach normalnej pracy (po zakoÅ„czonym rozruchu): Ir = kr Å"In = 7 Å"15,04 = 105,28 A
IŃ = 1,1Å"In = 1,1Å"15,04 = 16,54 A
Pn Å"L Å"100%
"U = d" 5%
Å‚ Å"SÅ"U2
n
Należy zatem przyjąć wartość nastawy zabezpieczenia przeciążeniowego
Tym razem prezentujemy przykładowy projekt zasilania silnika klatkowe- silnika I =16,50 A. Na podstawie katalogu produktów firmy Legrand FAEL
Ń
go stosowanego do celów gospodarczych. Prezentowana instalacja stanowi należy przyjąć zabezpieczenie silnika typu M250 1r/1z 20 A oraz stycznik SM
fragment projektu, jaki przygotowaliśmy dla Państwa z okazji targów ENER- 340S  4Z. Zabezpieczenie główne obwodu silnika: ą=3 - współczynnik roz-
GETAB 2005, który obejmuje zasilanie pola kempingowego. Przyjęte w opra- ruchu (rozruch lekki).
cowaniu parametry obwodu zwarciowego zostały zaczerpnięte z projektu za-
kr Å"IB 7 Å"15,04
sadniczego. Projekt ten w całości będzie prezentowany w numerze 9/2005 Ins e" = H" 35,1A
Ä… 3
i nr 10/2005  elektro.info . Silnik stanowi wyposażenie części gospodarczej
budynku administracyjnego pola kempingowego. Należy przyjąć zabezpieczenie WTN00gG50 (stanowi ono jednocześnie głów-
ne zabezpieczenie RnNBG).
dane wyjściowe Prąd zwarcia symetrycznego w RnNBG:
cÅ"Un 1Å"400
Obiekt jest zasilany przez budynkowÄ… stacjÄ™ transformatorowÄ… 15 / 04 kV, I" = = = 2025,79 A
k3
3 Å"Zk3 3 Å"0,114
wyposażoną w transformator o mocy 160 kVA. Budynek administracyjny
Ir 105,28
jest zasilany ze stacji transformatorowej kablem YAKXS 4×25 o dÅ‚ugoÅ›ci
Å"100% = Å"100% = 5,19% > 5%
I" 2025,79
,
50 m. RnNBG zasilana jest z RGnNBA przewodem YDYżo 5×6 o dÅ‚ugoÅ›ci
k3
10 m. R =0,0162 [&!]  rezystancja transformatora zasilajÄ…cego obiekt,
T
X =0,0467 [&!]  reaktancja transformatora zasilającego obiekt, R Zgodnie z zaleceniami, o których pisaliśmy w nr 11/2004, należy uwzględ-
T YAKXS
4×25; dÅ‚. 50 m=0,0570 [&!]  rezystancja linii zasilajÄ…cej budynek biu- nić w obliczeniach zwarciowych oddziaÅ‚ywanie silnika podczas wybiegu. Za-
rowy obiektu, R =0,1035 [&!]  rezystancja dla zwarć symetrycz- tem całkowity prąd zwarcia symetrycznego wyniesie:
nNBG(3)
nych w rozdzielnicy nN zainstalowanej w części gospodarczej budynku
I" = I" + Ir = 2025,79 +105,28 = 2131,07 A
k3c k3c
biurowego, R =0,1908 [&!]  rezystancja dla zwarć jednofazowych
nNBG(1)
w rozdzielnicy nN zainstalowanej w części gospodarczej budynku biuro- Natomiast przy zwarciu w RGBA prąd ten nie ma dużego znaczenia, ponieważ:
wego, X =0,0467 [&!]  reaktancja dla zwarć symetrycznych w roz-
nNBG(3)
cÅ"Un 1Å"400
I" = = = 3154,92 A
dzielnicy nN zainstalowanej w części gospodarczej budynku biurowe- k3
3 Å"Zk 3 3 Å"0,0732
go, X =X =0,0467 [&!]. R =0,0732 [&!]  rezystancja dla
nNBG(3) nNBG(1) RGBA(3)
Ir 105,28
zwarć symetrycznych w rozdzielnicy głównej budynku administracyjne- Å"100% = Å"100% = 3,34% < 5%
I" 3154,92
4
k3
go, R =0,1302 [&!]  rezystancja dla zwarć jednofazowych w roz-
RGBAG(1)
dzielnicy głównej budynku administracyjnego, X =0,0467 [&!]  re- Wymagany przekrój przewodu zasilającego silnik ze względu na prąd zwar-
RGBA(3)
aktancja dla zwarć symetrycznych w rozdzielnicy głównej budynku ad- cia symetrycznego (Uwaga! Ponieważ przy spodziewanym prądzie zwarcio-
 
ministracyjnego, X =X =0,0467 [&!] jak wyżej, lecz dla zwarć wym I =3154,92 A (w RnNBA: I =2131,07 A) czas wyłączenia zabezpiecze-
RGBA(3) RGBA(1) k3 k3
jednofazowych. nia będzie krótszy od 0,1 s, w celu wyznaczenia wymaganego przekroju prze-
Silnik: P=7,5 kW; s =2 %; U =3×230 /400 V; k =2,3; k =7; cosÕ =0,8; wodu zasilajÄ…cego należy posÅ‚użyć siÄ™ wartoÅ›ciÄ… caÅ‚ki Joule a, jakÄ… może prze-
n n Mr r n
· =0,9, n =1470 obr./min (podstawa: katalog producenta silników induk- nieść bezpiecznik topikowy WTN00gG50 przy spodziewanym prÄ…dzie zwar-
n n
cyjnych klatkowych). ciowym):
opis techniczny
1 I2tw 1 13700
S e" = = 0,87 mm2
k 1 135 1
W pomieszczeniu gospodarczym zainstalowana jest rozdzielnica RnNBG,
z której zasilany jest silnik indukcyjny klatkowy. Plan instalacji przedstawia
rysunek 8, schemat zasilania oraz automatyki rozruchowej przedstawia ry- sprawdzenie dobranego przewodu na długotrwałą obciążalność i przecią-
sunek 9 (www.elektro.info.pl). Na rysunku 10 zaprezentowano schemat ste- żalność prądową (zabezpieczeniem głównym silnika jest jednocześnie za-
rowania układu rozruchu silnika (www.elektro.info.pl). Skrzynkę RS należy bezpieczenie główne RnNBA zainstalowane w RGBA, w RnNBG w torze za-
zainstalować na konstrukcji nośnej maszyny napędzanej przez silnik. Zasila- silana silnika ze względów eksploatacyjnych został zainstalowany tylko
nie RS należy wykonać przewodem OWYżo 5×6. rozÅ‚Ä…cznik):
IB = 15,04 A d" In d" 50 A d" IZ
obliczenia
k2 Å"In 1,6Å"50
IZ e" = = 55,17 A
1,45 1,45
Prąd nominalny silnika oraz wartość nastawy zabezpieczenia przeciążeniowego:
w w w. e l e k t r o . i n f o . p l n r 7 - 8 / 2 0 0 5
74
Na podstawie PN-IEC 60364-5-523 warunki speÅ‚nia przewód OWYżo 5×6,
którego I =56 Ae"I .
dd z
sprawdzenie dobranego przewodu na spadki napięcia:
a) w czasie rozruchu:
100Å" 3
"U = (R Å"cosÕr + X Å"sinÕr )Å"Ir =
Un
100Å" 3
= (0,134Å"0,37 + 0,93Å"0,0467 Å"0,93)Å"
,
400
Å"105,28 == 4,23% << 35%
·n kMr
cosÕr = cosÕn ( + 0,025Å" kr ) =
0
1- sn kr
0,9 2,3
ëÅ‚
= 0,8 + 0,025Å"7öÅ‚ = 0,37
ìÅ‚ ÷Å‚
íÅ‚ Å‚Å‚
1- 0,02 7
sinÕr = 1- cos2 Õr = 1- 0,372 = 0,93
r
Uwaga, do obliczeń zostały przyjęte parametry obwodu zwarciowego uwzględniają-
ce rezystancję i reaktancję uzwojeń transformatora zasilającego teren kempingu:
b) w warunkach normalnej pracy:
Pn Å"L Å"100% 18900Å"50Å"100%
"U = = +
Å‚ Å"SÅ"U2 35Å"25Å"4002
m
10000Å"10Å"100% 7500Å"10Å"100%
+ + = 1%
5
55Å"6Å"4002 55Å"6Å"4002
sprawdzenie samoczynnego wyłączenia podczas zwarć jednofazowych:
Zk1 = X2 + R2 = [XkT ]2 +[RkT + 2Å"(RAKXS4x25 + RYDYzo5x6 + ROWYzo5x6 )2 =
)
k1 k1
= [0,0467]2 + [0,0162 + 2Å"(0,0570 + 0,0303 + 0,0303)2 = 0,256&!
0,8Å"U0 0,8Å"230
"
Ik1" = = = 718,75 A
Zk1 0,256
Iw = kw Å"In = 14Å"20 = 280 A < Ik1" = 718,75 A
7
gdzie:
k
w krotność prądu nominalnego zabezpieczenia silnika zapewniająca wyłączenie
zasilania podczas zwarć w czasie określonym przez PN-IEC 60364-4-41, w [-],
I  prÄ…d zwarcia jednofazowego, w [A],
k1
U  napięcie fazowe, w [V],
0
Warunek samoczynnego wyłączenia podczas zwarć jednofazowych w silniku
zostanie zachowany zgodnie z wymaganiami PN-IEC 60364-4-41.
Uwaga, na podstawie katalogu producenta zastosowanych aparatów zabez-
pieczających należy uznać, że podczas zwarć jednofazowych w silniku zosta-
nie również zachowana selektywność zadziałania zabezpieczeń. Dla połącze-
nia kaskadowego bezpieczników topikowych WTN00gG50 z wyłącznikiem sil-
nikowym M250 selektywność zostanie zachowana dla prądów zwarciowych
nieprzekraczających 1250 A. Po wykonaniu prac instalacyjnych należy prze-
prowadzić pomiary i próby odbiorcze zgodnie z PN-IEC 60364-6-61.
Od redakcji: Literatura do projektu na www.elektro.info.pl.
Zestawienie materiałów
1. przewód OWYżo 5×6  10 m, 2. stycznik SM340 230-4 Z  3 szt., 3. prze-
łącznik gwiazda/trójkąt A190 prod. ELESTER  1 szt., 4. rygiel mechanicz-
ny dla styczników  1 szt., 5. łącznik przyciskowy LP301  1 szt., 6. łącznik
przyciskowy LP302  1 szt., 7. gniazdo trójfazowe I =32 A nieprzewodzące
n
 1 szt., 8. skrzynka montażowa IP55 o pojemności 24 moduły (rys. 11), 9.
wyłącznik silnikowy M250 1r/1z 20 A; I =(14  20) A  1 szt., 10. pozostałe
´
drobne materiały według potrzeb.
n r 7 - 8 / 2 0 0 5 w w w. e l e k t r o . i n f o . p l
75