Budowa silnika indukcyjnego trójfazowego klatkowego

Silniki bezkomutatorowe indukcyjne dzielą się na pierścieniowe
i klatkowe. Silniki indukcyjne trójfazowe są jednymi z najbardziej rozpowszechnionych sil­ników prądu zmiennego. W szczególności silniki klatkowe ze względu na swą prostą budowę, łatwy rozruch są powszechnie stosowane we wszystkich dziedzi­nach napędu, gdzie nie jest wymagana regulacja prędkości obrotowej od strony wirnika.

Budowa i zasada działania silników indukcyjnych klatkowych jest taka sama jak silników pierścieniowych. Różnice wynikają ze względu na uzwojenie wir­nika.

Trójfazowy silnik indukcyjny składa się z nieruchomej części, zwanej stojanem oraz części ruchomej, zwanej wirnikiem. Stojan składa
się ze stalowego kadłuba, w który wprasowany jest rdzeń stojana utworzony
z pakietu odizo­lowanych od siebie nakrzemowanych blach, zwanych także blachami maszyno­wymi, w celu zmniejszenia strat w żelazie. Na zewnętrznym obwodzie rdzenia wykonane są wycięcia, zwane żłobkami. W żłobkach umieszczone jest trójfa­zowe uzwojenie stojana.

Uzwojenie stojana składa się z poszczególnych cewek. Cewki te tworząc pa­sma fazowe mogą być połączone w gwiazdę lub trójkąt. Uzwojenie stojana za­silane jest z sieci trójfazowego prądu przemiennego. Wewnątrz stojana umiesz­czony jest wirnik.

Energia pobierana z sieci przez uzwojenie stojana zostaje przeniesiona
do wirnika za pośrednictwem pola magnetycznego. Uzwojenie wirnika wykonane jest w postaci nieizolowanych prętów (aluminiowych, mosiężnych
i miedzia­nych) umieszczonych w żłobkach. Pręty są połączone z obydwu stron pierście­niami zwierającymi. W zależności od rodzaju uzwojeń wirnika rozróżnia się silniki z wirnikami: klatkowym zwykłym, głębokożłobkowym
i dwuklatkowym oraz rzadko — z masywnymi, np. stalowymi wirnikami.

Wirujące pole magnetyczne

Schemat układu do wytwarzania wirującego pola magnetycznego. Kierunek prądów pokazany dla czasu t₂.

Przebieg prądów w układzie trójfazowym

Jedną z zalet prądu trójfazowego jest możność wytwarzania wirującego pola magnetycznego za pomocą odpowiednio rozmieszczonego układu nieruchomych cewek zasilanych prądem trójfazowym. Układ taki
w najprostszym przypadku składa się z trzech jednakowych cewek ułożonych
w taki sposób, że ich osie znaj­dują się w jednej płaszczyźnie i są przesunięte wzajemnie o kąt 2Π/3 radianów.

Zasada działania silnika indukcyjnego

Podstawę działania silników indukcyjnych stanowi wirujące pole magne­tyczne. Pod wpływem trójfazowego układu napięć przyłożonego do uzwojeń stojana płyną w nim prądy elektryczne przesunięte wzajemnie w fazie o kąt 2 Π /3 w wyniku czego powstaje wówczas wirujące pole magnetyczne. Linie sił tego pola zamykają się przez stojan, szczelinę powietrzną i wirnik. Taki sam efekt otrzymano by też, gdyby stojan był magneśnicą o identycznej liczbie par biegunów i obracał się z tą samą prędkością ω_S. Analogię tę ilustruje

1. wirujące pole magnetyczne prądu trójfazowego dla p=2,

2. równo­ważna, wirująca z prędkością ω₁, magneśnica

Wirujące pole magnetyczne przecina uzwojenie wirnika i w jego prętach in­dukuje się przemienna silą elektromotoryczna e₂. Zwrot jej wyznacza
się za pomocą reguły prawej dłoni. Jeżeli obwód uzwojeń wirnika jest zamknięty (w silnikach pierścieniowych obwód zamknięty uzyskujemy przez dołączenie do pierścieni ślizgowych opornika zwanego rozrusznikiem a po rozruchu — przez zwarcie pierścieni) sita elektromotoryczna indukowana
w uzwojeniu wirnika e₂ wywołuje prąd elektryczny Is.

Występuje wówczas oddziaływanie wirującego pola magnetycznego na prąd wirnika. Zwrot wektora siły działają­cej na pręty wirnika wyznacza się z reguły lewej dłoni. Siła (F) działając na przewód z prądem I₂ w polu magnetycznym Φ stara się go usunąć z pola ma­gnetycznego powodując powstanie momentu obrotowego M nadającego ruch wirnikowi. Kierunek działającej siły F. Stąd widać, że kierunek wirowania wirnika będzie zgodny z kierunkiem wiru­jącego pola magnetycznego.

Przedstawienie momentu obrotowego w silniku indukcyjnym

Pojęcie poślizgu i charakterystyki mechaniczne silnika indukcyjnego

Warunkiem koniecznym do indukowania siły elektromotorycznej e₂ w prze­wodach wirnika jest przecinanie ich przez strumień magnetyczny, dlatego też prędkość kątowa wirnika ω musi różnić się od prędkości kątowej synchronicznej pola wirującego ω_S stąd nazwa — silnik asynchroniczny.

Przy pracy silnikowej prędkość kątowa ω wirnika musi być zawsze mniejsza
od prędkości obrotowej pola wirującego ω_S. Prędkość wirowania pola przyjęto oznaczać także przez ω₀ a prędkość wirowania wirnika oznaczono przez ω.

Stosunek oznaczony przez s.

nazywa się poślizgiem

Wartość poślizgu w silnikach indukcyjnych zależy od obciążenia. Najmniej­szą wartość ma poślizg przy biegu jałowym. Wynosi on wówczas od 0,5%-1,5%. Podczas obciążenia zwiększony moment hamujący musi być zrównoważony przez zwiększony moment obrotowy; jest to możliwe tylko przy wzroście e₂ oraz I₂ tzn. przy wzroście poślizgu s.

Przeciętna znamionowa wartość pośli­zgu silnika obciążonego wynosi od 2%
do 6%. Mniejsze wartości poślizgu (2%) występują w silnikach o dużej mocy znamionowej.

Prędkość obrotowa wirnika silnika indukcyjnego wynosi:

Moment obrotowy M silnika będzie tym większy im prąd płynący w uzwojeniu wirnika ma większą wartość, co zależy od wzrostu wartości indukowanej S E M e₂ oraz kąta y₂ A więc następuje to przy wzroście wzajemnej różnicy prędkości kątowej pola wirującego ω_S i wirnika ω, czyli przy powiększeniu poślizgu s. Przy wzroście poślizgu od zera, moment rośnie do wartości Mmax., następnie maleje. Wykres zależności M = f (s) dla silnikaindukcyjnego.

Charakterystyka mechaniczna s = f (M) silnika indukcyjnego pierścienio­wego

Proces rozruchu

Proces rozruchu ma duże znaczenie dla prawidłowej pracy silnika, urządzeń rozdzielczych zabezpieczających oraz dla napędzanych przez niego maszyn roboczych. Ze względu na sieć zasilającą, aparaturę rozdzielczą
i zabezpieczającą oraz z uwagi na przyłączone do sieci inne odbiorniki energii elektrycznej, prąd silnika w czasie rozruchu powinien być jak najmniejszy. Zmniejszenie wartości prądu rozruchowego pozwala na zmniejszenie prądów znamionowych urządzeń zabezpieczających, stosowanie przewodów zasilających o mniejszych przekro­jach, jak również powoduje zmniejszenie spadków napięć w sieci zasilającej, co odczuwają inne odbiorniki.

Rozruchem nazywamy uruchomienie silnika, a więc przejście od postoju do stanu pracy ustalonej przy prędkości właściwej w danych warunkach zasilania i obciążenia.

Rozruch silników asynchronicznych klatkowych można przeprowadzić na­stępującymi sposobami:

• poprzez rozruch bezpośredni,

• rozruch za pomocą autotransformatora,

• rozruch z przełącznikiem gwiazda-trójkąt,

• rozruch z dodatkowymi rezystancjami lub reaktancjami w obwodzie stojana, symetrycznymi lub niesymetrycznymi,

• rozruch z układu półprzewodnikowego(napięciowy lub częstotliwościowy )

Rozruch bezpośredni polega na włączeniu uzwojeń stojana do sieci
o napięciu równym napięciu znamionowemu silnika. W cliwili przyłączenia silnika do sieci jego wirnik jest nieruchomy, tzn. poślizg s=1.

Indukowana w uzwojeniach wirnika siła elektromotoryczna posiada w tych warunkach dużą wartość, zatem prąd wirnika a więc i prąd pobierany przez silnik z sieci, osiągają wartości znacznie większe niż w warunkach znamiono­wych.

Wartości prądów rozruchowych silników asynchronicznych klatkowych wyrażone względną wartością prądów znamionowych wynoszą:

silniki jednoklatkowe

- szybkobieżne (1500, 3000 obr/min) — Ir = (5,5-7,5) In

- wolnobieźne (1000, 750 i mniej obr/min) — Ir = (4-5) In

silniki dwuklatkowe lub głębokoźłobkowe

- szybkobieżne Ir = (3,5-4,5) In

- wolnobieźne Ir = (2,8-3,3) In

Z powyższych danych wynika, że silniki klatkowe specjalnej konstrukcji tzn. dwuklatkowe lub giębokoźłobkowe charakteryzują się mniejszym uderzeniem prądu rozruchowego od silników normalnej konstrukcji. Natomiast moment rozruchowy silników specjalnej konstrukcji w porównaniu z silnikami budowy normalnej jest większy.

Znaczny prąd rozruchowy może okazać się groźny dla silnika pod wzglę­dem skutków cieplnych, mimo że czas trwania rozruchu nie przekracza na ogół kilka lub kilkanaście sekund. Z niebezpieczeństwem tym należy się liczyć przede wszystkim w silnikach dużych, a także w przypadku często powtarzanych roz­ruchów. Duży prąd pobierany przez silnik przy rozruchu jest niepożądany
nie tylko dla samego silnika, ale i dla sieci zasilającej, w której wywołuje znaczne nieraz spadki napięcia, co niekorzystnie wpływa na pracę pozostałych odbiorów, zasilany cli z tej sieci.

Z powyższych względów rozruch bezpośredni można stosować przy silni­kach małej mocy. Przepisy ograniczają moc tych silników do ok. 4 kW. Powyż­sze dane nie dotyczą silników zasilanych z sieci zakładowej lub z oddzielnych transformatorów.

Przy rozruchu bezpośrednim silników klatkowych występuje silne uderzenie prądu rozruchowego, które w niektórych przypadkach jest niepożądane
i dla urządzeń zasilających.

Rozruch z przełącznikiem gwiazd -trójkąt.

Rozruch z przełącznikiem gwiazda-trójkąt jest najczęściej stosowany
dla silników małej i średniej mocy. Polega on na tym, że uzwojenie stojana sil­nika klatkowego, połączono podczas normalnej pracy w trójkąt, w pierwszej fazie rozruchu przyłączone jest do sieci w połączeniu z gwiazdą.

a)

b)

Rozruch silnika klatkowego za pomocą przełącznika gwiazda-trójkąt; a) schemat,

b) charakterystyki mechaniczne

Przełączenie uzwojeń z gwiazdy w trójkąt winno nastąpić po osiągnięciu przez maszynę ustalonej prędkości kątowej. Przy rozruchu silnika
z przełącznikiem gwiazda-trójkąt muszą być spełnione następujące warunki:

a) napięcie znamionowe silnika przy połączeniu w trójkąt musi być równe napięciu przewodowemu sieci,

b) do tabliczki zaciskowej silnika wyprowadzonych jest sześć końców uzwo­jenia tzn. początki i końce każdej fazy,

c) rozruch silnika powinien odbywać się przy biegu jałowym lub z niewielkim obciążeniem (np. maszyną roboczą o charakterystyce wentylatorowej), gdyż moment rozruchowy przy jest ok. trzykrotnie mniejszy

Wyznaczenie prądu rozruchowego i momentu silników klatkowych

Wartość prądu rozruchowego Ir oraz momentu rozruchowego Mr można wyznaczyć z próby zwarcia. W czasie próby wirnik silnika powinien być zaha­mowany. Ze względu na dużą wartość prądu rozruchowego pomiar wykonuje się z reguły przy obniżonym napięciu, przeliczając następnie wyniki pomiaru na napięcie znamionowe. Moment przelicza się w stosunku kwadratu napięcia znamionowego do kwadratu napięcia, przy którym był wykonany pomiar.

natomiast prąd rozruchowy przelicza się według zależności:

1

4

---