2.3 Silniki indukcyjne
1) Rodzaje silników indukcyjnych
Ze względu na sposób wykonania obwodów elektrycznych wirnika i stojana, liczbę faz sieci
zasilającej oraz zakres parametrów znamionowych, silniki indukcyjne można podzielić na::
1) silniki synchroniczne,
2) silnikami indukcyjne (asynchroniczne):
a) o wirniku klatkowym,
b) o wirniku pierścieniowym,
3) silniki komutatorowe:
a) jednofazowe,
b) trójfazowe,
4) silniki specjalne (np. liniowe).
Silniki synchroniczne - są to silniki trójfazowe o mocach od kilku kW do kilku MW i stałej
prędkości obrotowej w granicach 500�1500 obr./min (wyjątkowo 3000 obr./min), niezależnej od
obciążenia i napięcia zasilającego. Stosowane są rzadko, głównie w napędach o specjalnej
charakterystyce, takich jak: pompy, wentylatory i kompresory. Jako maszyny synchroniczne znajdują
głównie zastosowanie jako generatory elektroenergetyczne.
Głównymi elementami silników synchronicznych są:
 stojan z uzwojeniem trójfazowym,
 wirnik jednobiegunowy lub cylindryczny z uzwojeniem wzbudzania oraz z klatką rozruchową.
Silniki indukcyjne (asynchroniczne) są powszechnie stosowane do napędu urządzeń o
nieregulowanej prędkości obrotowej. Występują najczęściej jako silniki o wirnikach klatkowych
(zwartych), o mocy od kilku watów do kilkuset kilowatów, na napięcie znamionowe od 0,4 do 6 kV.
Zasadniczymi elementami silnika klatkowego są:
 stojan z umieszczonym wewnątrz pakietem blach krzemowych i uzwojeniem usytuowanym
w żłobkach,
 wirnik stanowiący pakiet blach, z uzwojeniem w postaci klatki (pręty i pierścienie z aluminium).
Silniki z wirnikami uzwojonymi, zwane silnikami pierścieniowymi są budowane w zakresie mocy
od około 2 kW do kilku MW przy takich samych napięciach zasilania. Silnik pierścieniowy różni się tym
od silnika klatkowego, że w żłobkach wirnika posiada trójfazowe uzwojenie, których końce są zwarte,
a początki wyprowadzone są do pierścieni ślizgowych. Na pierścieniu umieszczone są szczotki, które
umożliwiają połączenie obracającego się uzwojenia wirnika z rozrusznikiem lub regulatorem prędkości
obrotowej. W silnikach pierścieniowych, które przeznaczone są do pracy bez regulacji prędkości
obrotowej, wbudowane są urządzenia do zwierania pierścieni i unoszenia szczotek.
Silniki o wirniku pierścieniowym mają, w odróżnieniu od silników o wirniku klatkowym, mniejszy
prąd rozruchowy i możliwość regulacji prędkości obrotowej. Są one jednak bardziej kłopotliwe w
eksploatacji oraz droższe.
2) Zasada działania silnika indukcyjnego
Większość maszyn indukcyjnych stanowią maszyny trójfazowe. Jeżeli uzwojenie stojana jest
zasilane napięciem trójfazowym, to powstaje pole magnetyczne pochodzące od uzwojenia stojana,
wirujące z prędkością obrotową, obr/min.
Stosunek prędkości pola względem wirnika do prędkości synchronicznej nazywamy poślizgiem, czyli:
przy czym:
- n - prędkość obrotowa wirnika,
- dla silnika 0 < s < 1,
- dla prądnicy s < 0.
Poślizg przy obciążeniu znamionowym silnika wyraża się zależnością:
Ze zwiększeniem obciążenia silnika następuje wzrost poślizgu (rys.1). Przeciętne wartości
poślizgu przy obciążeniu znamionowym mieszczą się w granicach od 0,01 (dla dużych maszyn) do 0,1
(dla b. małych maszyn)
- Gdy wirnik silnika pozostaje nieruchomy; (n = 0) to poślizg s = 1,
- Gdy wirnik wiruje z prędkością synchroniczną: (n = ns ) to poślizg s = 0
Rys. 1 Rodzaje pracy maszyny indukcyjnej
Rys. 2 Schemat zastępczy silnika indukcyjnego
3) Moment obrotowy silnika indukcyjnego (rys. 1 i 2)
Elektromagnetyczny moment obrotowy, N.m :
- silnika -
- prądnicy
Moment krytyczny (maksymalny), N m:
Poślizg krytyczny,
4) Oznaczenia zacisków i końcówek uzwojeń (zgodnie z PN-EN 60034-8:2005)
a) Uzwojenie fazowe stojana (pierwotne) - U, V, W, zacisk zerowy - N,
b) uzwojenie fazowe wirnika (wtórne) - K, L, M, zacisk zerowy - Q,
c) Początki uzwojeń fazowych oraz połączone z nimi zaciski - cyfrą 1, np. U1, K1,
d) Końce uzwojeń fazowych oraz połączone z nimi zaciski - cyfrą 2, np. V2, L2,
e) Oddzielne uzwojenia trójfazowe albo jedno uzwojenie trójfazowe złożone z oddzielnych pasm,
to zaciski oraz końcówki należące do kolejnych uzwojeń fazowych lub kolejnych pasm wyróżnia
sie cyframi 1,2,,....,k, np.
- 1U1, 1U2 - oznaczają odpowiednio początek oraz koniec pierwszego uzwojenia fazowego U
w stojanie
- 2L1, 2L2, - oznaczają odpowiednio początek oraz koniec drugiego uzwojenia fazowego L
w wirniku.
f) Zaczepy fazowych stojana lub wirnika, to wyróżnia się je kolejnymi cyframi 3, 4, 5, ...
np. U3 - pierwszy zaczep w uzwojeniu fazowym U stojana.
g) Jeżeli uzwojenie pierwotne jest w wirniku, a uzwojenie wtórne w stojanie, to oznaczenia U,V,W,N
stosuje się do wirnika, a oznaczenia K,L,M,Q - do stojana.
Wg. PN-EN 60034-8:2005O - oznaczenie końcówek lub zacisków uzwojenia stojana U1, V1, W1 i
połączenie ich odpowiednio z przewodami L1, L2, L3 sieci zasilającej, powinno zapewnić obracanie
się wirnika w prawo (zgodnym z ruchem wskazówek zegara), obserwowanym od strony czopa
końcowego wału.
5) Rodzaje silników trójfazowych i ich podstawowe charakterystyki
Właściwości użytkowe silników indukcyjnych obrotowych zależą od rodzaju ich wirników. Z tego
względu silniki indukcyjne trójfazowe można podzielić na silniki o wirniku:
a} klatkowym:
- zwykłym,
- głębokożłobkowym,
- dwuklatkowym,
b) pierścieniowym.
Po włączeniu silnika do sieci trójfazowej uzwojenie stojana wytwarza pole, którego prędkość
wirowania zależy od liczby par biegunów. Jeżeli umieszczony wewnątrz stojana wirnik ma swobodę
ruchu obrotowego, a jego uzwojenia są zwarte (bezpośrednio lub przez rezystancję), to na skutek
działania pola wirującego na prądy indukowane w tych uzwojeniach powstaje moment obrotowy,
powodujący ruch wirnika zgodnie z kierunkiem wirującego pola.
Prędkość obrotowa wirnika powinna być o kilka procent niższa od prędkości synchronicznej pola.
Współczynnik mocy cosĆN i sprawność �N zależą od stopnia jego obciążenia na wale.
6) Zależności podstawowe silników i prądnic trójfazowych:
a) moc znamionowa, kW:
-silnika:
PN= "3 UN IN �N cosĆN " 10-3
-prądnicy:
PN= "3 UN IN cosĆN " 10-3
b) napięcie uzwojenia fazowego stojana, V:
- przy połączeniu w trójkąt:
Us= UN
 - przy połączeniu w gwiazdę:
c) prąd uzwojenia fazowego stojana, A:
- przy połączeniu w trójkąt:
- przy połączeniu w gwiazdę:
Ist= IN
2.4 Rozruch silników indukcyjnych
Rozruchem silnika indukcyjnego nazywa się stan pracy od chwili załączenia napięcia do
osiągnięcia ustalonej prędkości obrotowej określonej parametrami zasilania (napięciem i
częstotliwością) i obciążenia (momentem hamującym).
Wymagania co do ograniczenia zarówno prądu rozruchowego jak i spadku napięcia w sieci, jak i
przyrostów temperatury uzwojeń podczas rozruchu, a także zmniejszenia udaru mechanicznego w
urządzeniu napędzanym łatwiej można spełnić, stosując silnik o wirniku pierścieniowym niż silnik o
wirniku klatkowym.
Rozruch silników indukcyjnych trójfazowych (o wirnikach klatkowym i pierścieniowym) pokazano
na rys. 3.
Rys. 3 Rozruch silnika indukcyjnego:
a) o wirniku klatkowym, załączanego za pomocą przełącznika gwiazda - trójkąt,
b) o wirniku pierścieniowym, załączanego za pomocą rozrusznika .
 Rozruch silnika o wirniku pierścieniowym przeprowadza się za pomocą rozrusznika
oporowego, włączonego w obwód uzwojenia wirnika (rys. 3b). Zarówno silnik, jaki rozrusznik
wyposażone są w styki pomocnicze blokady elektrycznej. Uniemożliwiają one załączenie silnika do
sieci, jeśli przyrząd szczotkowy i pokrętło rozrusznika nie znajdują się w pozycji rozruchowej
początkowej.
Przed uruchomieniem silnika pokrętło rozrusznika należy ustawić na maksymalną rezystancję, a
następnie w czasie rozruchu stopniowo zmniejszać, aż do bezpośredniego zwarcia pierścieni.
Poprzez zmianę rezystancji w obwodzie wirnika uzyskuje się możliwość płynnej zmiany obrotów, przy
stosunkowo dużych stratach energii elektrycznej na rezystorze regulacyjnym. Dla ograniczenia strat
stosuje się połączenie silnika z siecią za pomocą specjalnego układu elektronicznego, który powoduje,
że część strat jest oddawana do sieci zasilającej.
Podczas pracy silnika indukcyjnego może wystąpić zjawisko samorozruchu. Polega ono na tym,
ze w przypadku nawet krótkotrwałego zaniku napięcia lub znacznym jego obniżeniu, następuje
zmniejszenie się prędkości obrotowej do zatrzymania włącznie. Jeżeli jednak czas trwania zaniku lub
spadku napięcia jest krótszy od czasu potrzebnego do zatrzymania, to w określonych warunkach jest
możliwe utrzymanie silnika w ruchu i w miarę wzrostu napięcia, powrót do normalnego stanu pracy.
Proces ten nazywa się samorozruchem.
Rozruch silnika o wirniku klatkowym polega na:
a) załączeniu do sieci na napięcie znamionowe,
b) załączeniu do sieci na napięcie obniżone,
c) załączeniu na niesymetryczny układ napięć.
Ad.a) Bezpośrednie załączenie do sieci na napięcie znamionowe jest najprostszym ale też
najbardziej krytycznym stanem pracy silnika o wirniku klatkowym. Moment rozruchowy silnika jest
niewielki, a występujące wielokrotne przekroczenie znamionowego prądu silnika w czasie rozruchu,
jest przyczyną spadku napięcia w sieci.
Dopuszczalna moc trójfazowych silników indukcyjnych o wirniku klatkowym , załączanych
bezpośrednio do sieci elektroenergetycznej;
a) przy załączeniu bezpośrednim:
- do sieci o napięciu 127 V - 2,2 kW,
- do sieci o napięciu 230 V - 4 kW,
- do sieci o napięciu 400 V - 5,5 kW,
b) przy załączeniu za pomocą przełącznika gwiazda - trójkąt:
- do sieci o napięciu 127 V - 6 kW,
- do sieci o napięciu 230 V - 12 kW,
- do sieci o napięciu 400 V - 15 kW.
Dopuszczalna moc jednofazowego silnika indukcyjnego włączanego bezpośrednio:
- do sieci: o napięciu 127 V - wynosi 0,5 kW,
- do sieci o napięciu 230 V - wynosi 1,5 kW.
Dopuszcza się spadek napięcia w sieci w chwili rozruchu równy:
- 5% - jeśli z transformatora są zasilane również z
ródła światła,
- 10% - jeżeli rozruchy są częste i ciężkie, a transformator nie zasila jednocześnie z
ródeł światła,
- 15% - jeżeli rozruchy są sporadyczne i lekkie, a transformator nie zasila jednocześnie z
ródeł
światła.
Ad.b) Załączenie do sieci na napięcie obniżone można osiągnąć stosując:
- przełącznik gwiazda-trójkąt (rys. 3a),
- transformator rozruchowy, lub
- dodatkową impedancję połączoną szeregowo z silnikiem.
Załączenie do sieci za pomocą przełącznika gwiazda-trójkąt może być stosowane tylko dla
silników niskiego napięcia w wykonaniu zgodnym z PN-EN 60034-12:2004, których uzwojenia fazowe
stojana są połączone w trójkąt, przy napięciu znamionowym.
Przełącznik gwiazda-trójkąt ustawia się w pozycji "gwiazda" łącząc uzwojenia fazowe stojana w
gwiazdę. Prąd pobierany z sieci i elektromagnetyczny moment obrotowy będą co najmniej 3 razy
mniejsze niż przy połączeniu w trójkąt. Natomiast prąd w uzwojeniach fazowych zmniejsza sie do ok.
57% wartości występującej przy połączeniu w trójkąt.
Gdy prędkość obrotowa w połączeniu w gwiazdę osiągnie wartość blisko znamionowej, może
nastąpić przełączenie uzwojeń stojana w trójkąt.
Załączenie za pomocą transformatora rozruchowego stosuje się w zasadzie do silników o mocy
większej niż ok. 500 kW.
Rys. 4 Schemat połączenia silnika z autotransformatorem rozruchowym
Przy otwartych wyłącznikach W2 i W3 autotransformator rozruchowy AT jest załączony jako dławik
szeregowy. Dla zmniejszenia prądu rozruchowego pobieranego z sieci k - krotnie, to należy
zastosować transformator o przekładni "k. Uzyskanie odpowiednio dużego momentu rozruchowego,
obniża się napięcie na zaciskach silnika tylko o 20 - 30%.
Załączenie impedancji szeregowej powoduje obniżanie się napięcia podczas rozruchu.
Rezystancję włączoną szeregowo z uzwojeniami stojana stosuje się tylko w silnikach małej mocy. W
silnikach dużej mocy włącza sie w tym celu dławiki o odpowiednio dobranej reaktancji. Moment
obrotowy podczas takiego rozruchu zmniejsza sie k2 -krotnie a więc bardziej niż prąd rozruchowy.
 Warunki rozruchowe przy szeregowym załączeniu dodatkowej impedancji są zatem mniej
korzystne niż przy rozruchu za pomocą autotransformatora lub przełącznika gwiazda-trójkąt.
Dodatkową rezystancję lub reaktancję zwiera się po osiągnięciu przez silnik stanu ustalonego przy
obniżonym napięciu.
Ad.c) Załączenie na niesymetryczny układ napięć stosuje sie również w celu zmniejszenia
elektromagnetycznego momentu rozruchowego. Najprostszy sposób uzyskania niesymetrii napięć na
zaciskach silnika polega na włączeniu dodatkowej rezystancji szeregowo w jednym uzwojeniu
fazowym stojana (rys.5 ).
Rys . 5 Schemat połączeń silnika z dodatkowym opornikiem rozruchowym Raw jednym
przewodzie fazowym,
Oznaczenie: W2 - wyłącznik zwierający opornik po rozruchu silnika
W tablicy 2 przedstawiono porównanie podanych wyżej sposobów rozruchu trójfazowych silników
indukcyjnych.
Tablica 2. Porównanie różnych sposobów rozruchu silników indukcyjnych
gdzie:
Ins- prąd znamionowy silnika
Mn- moment znamionowy silnika
2.5 Regulacja prędkości obrotowej
Prędkość obrotowa silnika indukcyjnego jest określona wzorem:
W silnikach indukcyjnych możliwe są następujące sposoby regulacji obrotów:
1) poprzez zmianę liczby par biegunów w silnikach wielobiegowych (regulacja skokowa),
2) poprzez zmianę częstotliwości. Przemienniki częstotliwości zwane falownikami umożliwiające
płynną regulację prędkości obrotowej. Realizują także inne funkcje sterowania, jak: rozruch,
zabezpieczenie, hamowanie.
3) poprzez zmianę napięcia i rezystancji stojana i wirnika:
- regulacja poprzez zmianę napięcia stojana - stosowana jest bardzo rzadko i tylko w silnikach
małej mocy.
Zakres regulacji jest tym mniejszy im mniejsze jest obciążenie silnika.
- regulacja poprzez zmianę napięcia dodatkowego w obwodzie wirnika - wykonywana jest przy
układów kaskadowych wyposażonych w elementy półprzewodnikowe,
- regulacja za pomocą rezystancji w obwodzie wirnika - może być stosowana tylko w silnikach
o wirniku pierścieniowym. Ze względu na duże straty mocy w oporniku włączonym w obwód
wirnika - tym większe, im większe jest zmniejszenie prędkości obrotowej - ten sposób regulacji
wykorzystuje się tylko w silnika małej mocy.
2.6 Hamowanie silnika
Hamowanie urządzenia napędzanego za pomocą maszyny indukcyjnej występuje:
a) przy zasilaniu jej z sieci trójfazowej symetrycznej:
- hamowanie prądnicowe albo odzyskowe, z poślizgiem s < 0,
- hamowanie przy przeciwwłączeniu, z poślizgiem s > 1. Hamowanie przeciwwłączeniowe ma
miejsce wtedy, gdy jego wirnik wiruje w kierunku przeciwnym do kierunku momentu obrotowego
wytwarzanego przez silnik. Zmianę kierunku wytwarzanego momentu można uzyskać przez
zmianę pozycji przełącznika powodującego zmianę kolejności faz,
b) przy zasilaniu jej z sieci niesymetrycznej i pracy z poślizgiem względem pola współbieżnego
0 < s < 1,
c) przy odłączeniu od sieci i włączeniu w obwód stojana napięcia stałego, tzw. hamowanie
dynamiczne,
2.7 Zabezpieczenia silników
Silniki elektryczne wywierają istotny wpływ na sieć zasilającą; np. przetężenia prądowe przy
rozruchu silników, spadki lub wahania napięć oraz znaczny pobór mocy biernej przez silniki przy biegu
jałowym.
Do podstawowych zabezpieczeń silników należą:
a) zabezpieczenie zwarciowe,
b) zabezpieczenie przeciążeniowe,
c) zabezpieczenie od skutków obniżenia napięcia.
Jako zabezpieczenie zwarciowe silników o napięciu nie przekraczającym 1 kV stosuje się
bezpieczniki topikowe w trzech fazach lub wyzwalacze elektromagnetyczne trójfazowe.
Dla silników o napięciu przekraczającym 1 kV rolę zabezpieczenia zwarciowego mogę spełniać
bezpieczniki topikowe w 3 fazach w połączeniu z rozłącznikiem lub nadprądowe przekaz
niki
bezzwłoczne. Dla silników o mocy powyżej 2 MW i wyprowadzonych sześciu końcówkach stosuje się
zabezpieczenie różnicowe wzdłużne w dwóch fazach. Silniki o mocy powyżej 1 MW wyposaża się w
zabezpieczenie od zwarć doziemnych, zasilane z przekładnika Ferrantiego.
Prąd nastawienia zabezpieczenia zwarciowego silnika powinien być jak najmniejszy  tak jednak,
aby nie działać przy prądach szczytowych występujących w czasie normalnej pracy i przy rozruchu
silnika.
 Prąd znamionowy wkładek bezpiecznikowych do zabezpieczenia silników prądu przemiennego
dobiera się wg zależności:
Ibn > Ins
w których:
Irs  prąd rozruchowy silnika,
Ins  prąd znamionowy silnika,
kr  krotność prądu rozruchowego
ą  współczynnik rozruchowy (w przeciętnych warunkach równy 2 dla wkładek o działaniu szybkim
i 2,5 dla wkładek o działaniu zwłocznym).
Wyzwalacze lub przekaz
niki elektromagnetyczne stanowiące zabezpieczenie zwarciowe silnika
nastawia się na prąd:
Iwe d" 1,2 "Irsmax ,
gdzie: Irsmax  największy prąd rozruchowy silnika.
Jako zabezpieczenie przeciążeniowe silników o napięciu do 1 kV stosuje się wyzwalacze lub
przekaz
niki cieplne oraz czujniki temperatury. Dla silników o napięciu znamionowym ponad 1 kV
stosuje się zabezpieczenie nadprądowe zwłoczne.
Zabezpieczenia zwarciowe silnika powinny być stosowane w trzech fazach w układach
trójfazowych, natomiast w układach prądu stałego w dwu lub jednym biegunie, jeżeli drugi jest
uziemiony. Nie należy stosować zabezpieczeń zwarciowych w obwodach wzbudzenia.
Każdy silnik powinien mieć zabezpieczenie zwarciowe oddzielne. Dopuszcza się zabezpieczenie
zwarciowe wspólne dla grupy silników, tak dobrane, aby w przypadku zwarcia w jednym z silników
zadziałało zabezpieczenie grupowe. Zabezpieczenia przeciążeniowe powinien posiadać każdy silnik
za wyjątkiem:
 silników o prądzie znamionowym mniejszym niż 4 A,
 silników o mocy nie przekraczającej 10 kW dla pracy ciągłej, których przeciążenie jest mało
prawdopodobne
(pompy, wentylatory),
 silników stanowiących zespół z transformatorem posiadającym własne zabezpieczenie,
 silników do pracy przerywanej, których zabezpieczenie czujnikami temperatury nie jest
gospodarczo uzasadnione.
W układach trójfazowych z uziemionym punktem neutralnym zabezpieczenia przeciążeniowe
stosuje się w 3 fazach, bez uziemionego punktu naturalnego w 2 fazach. Zabezpieczenia
przeciążeniowe nastawia się na prąd nie większy niż 1,1 Ins.
Zabezpieczenie od nadmiernego obniżenia się napięcia realizowane jest jako
ponadnapięciowe zwłoczne jedno - lub dwufazowe. Zabezpieczenie to należy stosować, gdy:
 obniżenie napięcia uniemożliwia pracę silnika,
 niepożądany jest samorozruch silnika zwartego,
 niedopuszczalny jest samorozruch silnika pierścieniowego,
 wskazane jest odłączenie pewnej liczby mniej ważnych silników w celu zabezpieczenia
samorozruchu innym silnikom.
Układ dwóch przekaz
ników podnapięciowych włączonych na napięcia międzyprzewodowe
jest stosowany do zabezpieczenia grupy silników lub silnika o dużej ważności z punktu widzenia
procesu technologicznego. Układ z jednym przekaz
nikiem podnapięciowym należy stosować do
zabezpieczania pojedynczych silników o mniejszym znaczeniu.