6. Pojęcie rozruchu, wielkości charakterystyczne

Aby rozpocząć omawianie rozruchu silników indukcyjnych musimy określić, co rozumiemy przez pojęcie rozruchu i jakimi parametrami charakteryzuje się ten stan silników. W pojęciu ogólnym rozruch silnika jest procesem przejścia od stanu postoju do stanu jego ustalonej pracy w określonych warunkach zasilania i obciążenia, a dodatkowo odnosząc się do silników indukcyjnych rozruch winien być tak przeprowadzony, aby moment rozruchowy był dostatecznie duży (z uwagi na obciążenie), a prąd rozruchowy nie przekroczył dopuszczalnej wielkości, co związane głównie jest z wymaganiami sieci elektrycznej. Duży prąd rozruchowy może się okazać groźny również dla silnika, mimo że czas trwania rozruchu nie przekracza na ogół kilku do kilkudziesięciu sekund. Dotyczy to głównie silników dużych oraz silników często uruchamianych, gdzie procesy oddziaływań dynamicznych i termicznych są znacznie odczuwalne. Z uwagi na wyżej wymienioną definicję, możemy podać, iż głównymi parametrami określającymi warunki rozruchowe silników elektrycznych są:

• Moment rozruchowy - M_r;

• Prąd rozruchowy I_r (wartość maksymalna i jego przebieg);

• Czas rozruchu t_r.

Rys. II.1 Przebieg momentu dynamicznego M_d w czasie rozruchu silnika indukcyjnego

Analizując budowę silników indukcyjnych, można zauważyć, iż zarówno moment rozruchowy jak i prąd rozruchowy nie zależą od obciążenia, ale od własności silnika. Od obciążenia zależny jest natomiast czas rozruchu. Ponadto o czasie trwania rozruchu decyduje wielkość momentu dynamicznego M_d układu napędowego (rys.I.1), stąd im większy jest M_d oraz im mniejsze są momenty zamachowe mas poruszanych przez silnik, tym krótszy jest czas rozruchu t_r silnika.

1. Rozruch silników indukcyjnych klatkowych

Po sprecyzowaniu pojęcia rozruchu możemy określić sposoby uruchamiania silników indukcyjnych do pracy. Najprostszą metodą jest bezpośrednie włączeni silnika do sieci zasilającej, co nazywamy rozruchem bezpośrednim, jednak z uwagi na znaczny pobór prądów rozruchowych z sieci, na poziomie I_r/I_n = 4÷8 i powodowane przez to duże spadki napięcia w sieci zasilającej (dopuszczalne nawet do 20%), stosowany jest wyłącznie do silników małej mocy. Wyjątkiem od tej reguły są silniki o specjalnych konstrukcjach, takie jak silniki dwuklatkowe i głębokożłobkowe.

Rys. II.2 Rozruch silnika klatkowego przy użyciu przełącznika gwiazda - trójkąt

Dla silników dużej mocy, lub gdy wymaga się obniżeni prądów rozruchowych z innych przyczyn stosuje się uruchamianie silnika przy obniżonym napięciu, poprzez zastosowanie specjalnych układów rozruszników. Najprostszą stosowaną metodą jest rozruch silnika klatkowego przy zastosowaniu przełącznika gwiazda trójkąt (rys.I.2).

Zasadę działania przełącznika (Y/∆) przedstawiono na rys. 3. W pierwszym etapie rozruchu (położenie I) uzwojenie stojana jest połączone w gwiazdę, a napięcie przypadające na uzwojenie jednej fazy stojana jest
razy mniejsze od napięcia zasilania. W drugim etapie rozruchu uzwojenie stojana połączone w trójkąt (położenie II), a napięcie uzwojeniach poszczególnych faz jest równe napięciu przewodowemu sieci zasilającej. Ustalona praca silnika odbywa się przy połączeniu uzwojeń stojana w trójkąt. Stąd też przełącznikiem gwiazda - trójkąt może być uruchamiany jedynie, gdy silnik przystosowany do pracy w trójkąt przy określonym napięciu zasilania. Znaczy to, że napięcie znamionowe każdej fazy uzwojenia misi być równe napięciu przewodowemu sieci zasilającej.

Prąd rozruchowy oraz moment rozruchowy są 3 razy mniejsze przy połączeniu w gwiazdę niż przy połączeniu w trójkąt. Dlatego też przełącznikiem gwiazda-trójkąt można jedynie uruchamiać silniki klatkowe nieobciążone lub obciążone częściowo momentem nieprzekraczającym 30% momentu znamionowego. Wykresy momentów i prądów przy właściwym operowaniu przełącznikiem Y/∆ podane są na rys.I.3.

To okaże się, że stosunek:

(II.1)

(II.2)

gdzie:

I_rpY - prąd rozruchowy (przewodowy) pobierany przez silnik połączony w gwiazdę,

I_rp∆ - prąd rozruchowy (przewodowy) pobierany przez silnik połączony w trójkąt,

U_pY- napięcie przewodowe zasilające silnik połączony w gwiazdę,

U_p∆- napięcie przewodowe zasilające silnik połączony w trójkąt,

U_fY- napięcie fazowe silnika połączonego w gwiazdę,

U_f∆- napięcie fazowe silnika połączonego w trójkąt,

M_rY - moment rozruchowy silnika połączonego w gwiazdę,

M_r∆ - moment rozruchowy silnika połączonego w trójkąt,

Rys. II.3 Przebieg momentu oraz prądów przy rozruchu silnika klatkowego z przełącznikiem gwiazda-trójkąt

Właściwe operowanie przełącznikiem Y/∆ polega na przełączeniu uzwojenia stojana z gwiazdy w trójkąt w odpowiednim momencie tj. w chwili, gdy silnik osiągnie obroty bliskie obrotom znamionowym. Jeżeli silnik uruchamiany np. pod obciążeniem przy połączeniu uzwojeń we gwiazdę, nie zdoła osiągnąć dostatecznie dużej prędkości obrotowej, to przy przełączeniu na trójkąt wystąpi gwałtowne uderzenie pobieranego prądu. W pewnych przypadkach prąd ten może osiągnąć nawet wartość bliską wartości prądu rozruchowego przy rozruchu bezpośrednim. Podobne zjawisko nastąpi przy uruchamianiu silnika z niewielkim obciążeniem lub w stanie biegu jałowego, ale przy zbyt wczesnym przełączeniu uzwojenia z gwiazdy w trójkąt. Przełączniki Y/∆ do małych mocy są typu ręcznego, lub automatyczne z zastosowaniem styczników i przekaźnika czasowego.

Rys. II.4 Rozruch silnika klatkowego przy użyciu włączonych w szereg do stojana impedancji.

Uruchomienie silnika klatkowego z zastosowaniem rezystancji lub reaktancji indukcyjnej (rys II.4) polega na szeregowym ich włączeniu do obwodu każdej fazy stojana na czas trwania rozruchu.

Zastosowanie zaś autotransformatora (rys. II.5) powoduje, że w pierwszej fazie rozruchu uzwojenie stojana jest zasilane napięciem wtórnym autotransformatora, a więc obniżonym. Po uzyskaniu prędkości obrotowej silnika znamionowej uzwojenie stojana przełącza się na pełne napięcie sieci zasilającej.

Dotychczasowe metody rozruchu silnika pozwalały nam jedynie ograniczyć prąd rozruchowy, kosztem momentu rozruchowego, co czasem wiąże się ze znacznymi problemami i ograniczeniami zastosowania. Konieczności uzyskania dużego momentu rozruchowego, przy niewielkim prądzie rozruchowym wiąże się z zastosowaniem silników pierścieniowych, lub zastosowania skomplikowanych układów kaskadowych z zastosowaniem kilku maszyn roboczych, co w konsekwencji obniża sprawność układu i podnosi znacznie jego cenę i awaryjność. Alternatywą dla konstrukcji kaskadowych są układu półprzewodnikowe, których cena niekiedy jest porównywalna z układami kaskadowymi, ale możliwości znacznie większe. Układy półprzewodnikowe sterowane za pomocą mikroprocesorów pozwalają nam dowolni kształtować charakterystyki silnika w czasie rozruchu i uzyskiwać znaczne momenty rozruchowe nieobarczone dużymi prądami rozruchowymi. Takie możliwości uzyskuje się dzięki możliwości zmiany częstotliwości napięcia zasilania silnika.

Rys. II.5 Rozruch silnika klatkowego przy użyciu autotransformatora (układ Korndorfera)

2. Rozruch silników indukcyjnych pierścieniowych

Aby silnik indukcyjny mógł ruszyć jego moment rozruchowy musi być większy od momentu hamującego. W tym przypadku silnik zwiększa swoją prędkość obrotową aż do chwili, gdy nastąpi równowaga między momentem obrotowym i hamującym. Stosunek momentu rozruchowego określony jest jako krotność momentu rozruchowego i oznacza się jako:

(II.4)

gdzie: M_R - prąd rozruchu, M_N - prąd znamionowy

Krotność λ_r dla silników indukcyjnych jest zawarta w granicach 0.35 do 2.1.

Ważny jest również prąd rozruchu, który znacznie przewyższa wartość prądu znamionowego, przy czym krotność prądu rozruchu oznacza się jako:

(II.5)

gdzie: I_R - prąd rozruchu, I_N - prąd znamionowy

Krotność λ_I dla silników indukcyjnych jest zawarta w granicach od 4 do 8. Duża wartość prądu rozruchu powoduje wystąpienie w sieci dużego spadku napięcia, co może spowodować niedopuszczalne chwilowe obniżenie napięcia sieci. Rozruch silnika pierścieniowego dokonuje się przy włączonych w obwód rezystorach rozruchowych. (rys.II.6).

Rezystor rozruchowy R_r ma zwykle kilka stopni, umożliwiających w miarę wzrostu prędkości obrotowej wirnika przechodzenie na coraz inną charakterystykę M=f(s) odpowiadającą coraz innej wartości rezystancji R_r. Te charakterystyki pokazano na rys.II.8.

Przy rozruchu liczba stopni rozruchowych zwykle nie przekracza 4. Ten sposób jest stosowany przy tzw. rozruchu ciężkim, tzn. w przypadku, gdy silnik indukcyjny jest od razu obciążony dużym momentem hamującym. Wartość prądu rozruchowego nie zależy od wartości momentu hamującego, natomiast zależy od wartości rezystancji całkowitej.

Rys. II.6 Układ połączeń do rozruchu silnika pierścieniowego

Uruchomienia silnika pierścieniowego można dokonać również za pomocą, regulowanego rezystora cieczowego, który zbudowany jest w postaci kadzi wypełnionej elektrolitem i do której wsuwane są elektrody w kształcie ostrza, w zależności od zanurzenia uzyskujemy zmianę rezystancji, pozwalającą nam na regulację prędkości obrotowej silnika. Po dokonaniu rozruchu zwiera się pierścienie silnika.

Często stosowanym też rozwiązaniem są rozruszniki wiroprądowe, których zasada działania wykorzystuje zjawisko powstawania prądów wirowych. Zbudowane są one w postaci jednolitego rdzenia (najczęściej rurowego) z materiału magnetycznie miękkiego, z nawiniętymi uzwojeniami, najczęściej połączonymi w gwiazdę, ponieważ w momencie rozruchu silnika w wirniku płyną prądy o częstotliwości sieci, powodują one znaczne straty mocy czynnej i biernej w rdzeniu rozrusznika, ograniczając prądy rozruchowe. Wzrost prędkości obrotowej, wiąże się ze spadkiem częstotliwości prądów wirnika, a co za tym również strat, umożliwiając wzrost prądów i dalszy rozruch, aż do osiągnięcia prędkości znamionowej i zwarcia pierścieni ślizgowych przez dodatkowy łącznik.

Rys. II.7 Przebieg rozruchu silnika pierścieniowego z zastosowaniem rozrusznika rezystorowego.

3. Regulacja prędkości silnika indukcyjnego

- osobny dokumencik

4. Silnik synchroniczny - rozruch

Pod względem budowy nie różni się niczym istotnym od budowy prądnicy synchronicznej. Również praca silnika zasilanego z sieci sztywnej przebiega w taki sam sposób, jak prądnicy. W większości przypadków silniki synchroniczne są wykonywane jako maszyny z biegunami jawnymi, a więc występuje w nich nie tylko moment synchroniczny, ale i moment reluktancyjny. Podstawową wadą silnika synchronicznego jest brak momentu rozruchowego. Dzieje się tak dlatego, że przy nieruchomym wirniku wytworzony przez uzwojenie twornika strumień napotyka kolejno bieguny wirnika różnych znaków pociągając je raz w jednym raz w drugim kierunku. Średnia wartość momentu obrotowego jest równa zeru i wirnik nie może ruszyć z miejsca. Zasadniczym zagadnieniem jest więc doprowadzenie wirnika silnika synchronicznego do prędkości synchronicznej, czyli rozruch silnika.

Rozruch silnika synchronicznego można przeprowadzić:

• wykorzystując moment asynchroniczny silnika synchronicznego wytworzony przez klatkę rozruchową i lity blok żelaza wirnika, po włączeniu silnika do sieci;

• stosując pomocniczą maszynę napędową;

• wykorzystując moment synchroniczny (tzw. rozruch częstotliwościowy).

1. Regulacja prędkości silnika synchronicznego

Poprzez zmianę częstotliwości zasilania w układach falownikowych lub w układach maszynowych (kilka maszyn)

2. Rozruch silnika prądu stałego

W chwili rozruchu prędkość silnika jest równa zeru, a więc siła elektromotoryczna indukowana E ma wartość zero i równanie napięć dla silnika przyjmuje postać:




Napięcie doprowadzone do silnika w chwili rozruchu jest równoważone przez spadek napięcia na rezystancji twornika, a więc prąd rozruchowy pobierany przez silnik




jest bardzo duży w porównaniu z prądem pobieranym w czasie pracy




Prąd rozruchowy jest wielokrotnie większy od prądu znamionowego. Prąd rozruchowy można ograniczyć przez zmniejszenie napięcia zasilającego lub włączenie w obwód twornika dodatkowego opornika o rezystancji Rar , zwanego rozrusznikiem. Wówczas:




W przypadku silnika bocznikowego należy pamiętać, aby obwód wzbudzenia w czasie rozruchu nie był włączony za rozrusznikiem, ale tak aby był zasilany pełnym napięciem sieci. Rozrusznik jest zwykle opornikiem kilkustopniowym dostosowanym do pracy krótkotrwałej.

Przy załączeniu silnika bocznikowego z dodatkowym opornikiem (rozrusznikiem) - zgodnie z charakterystyką mechaniczną - zmniejsza się prąd, a więc i moment silnika. Aby moment ten zmieniał się w określonych granicach, podczas rozruchu wyłącza się kolejne sekcje rozrusznika przechodząc tym samym na kolejne charakterystyki, aż po całkowitym zwarciu rozrusznika - osiąga się punkt pracy na charakterystyce naturalnej.

Schemat połączeń silnika bocznikowego z rozrusznikiem pokazano na rys. 1, a przebieg rozruchu tego silnika - na rys. 2.

Rezystancję pierwszego stopnia rozrusznika należy dobierać tak, aby prąd rozruchowy nie był zbyt duży, a jednocześnie, aby moment rozruchowy nie był zbyt mały. Jeżeli moment rozruchowy będzie mały, to moment dynamiczny Md = Mr - Mh będzie mały i rozruch będzie trwał dłużej.

Rozruch silnika szeregowego przebiega podobnie, lecz należy pamiętać, że nie może się on odbywać bez obciążenia, ponieważ silniki szeregowe rozwijają w chwili rozruchu bardzo duży moment rozruchowy i mogą się rozbiegać (rozwinąć nadmierną prędkość).

W silnikach szeregowo-bocznikowych korzystny wpływ na właściwości rozruchowe ma dozwojenie zgodne. Powoduje ono zwiększenie momentu rozruchowego, poza tym rozruch przeprowadza się w sposób podobny.




Rys. 1. Prawidłowe (a) i błędne (b) połączenie rozrusznika w silniku bocznikowym; c) schemat zastępczy w przypadkach błędnego połączenia, w chwili początkowej (n=0) rozruchu.




Rys. 2. Rozruch silnika bocznikowego

Do ograniczania prądu rozruchowego w silniku obcowzbudnym stosuje się takie same rozruszniki, jak w pozostałych typach silników.

3. Regulacja prędkości obrotowej silnika prądu stałego

Przekształcając równanie napięć silnika, można wyprowadzić wzór na prędkość silnika prądu stałego z dodatkową rezystancją w obwodzie twomika R_ar




Z zależności tej widać, że na zmianę prędkości wirowania wirnika mają wpływ:

• napięcie U,

• rezystancja R_ar

• strumień .

Oznacza to, że prędkość obrotową można regulować:

• przez zmianę napięcia zasilania twornika U,

• przez zmianę rezystancji w obwodzie twornika R_ar

• przez zmianę strumienia .

Wszystkie te możliwości są wykorzystywane w praktyce, a róźnią się one pod względem:

• zakresu regulacji,

• kierunku regulacji (góra, dół),

• ekonomicznym.

Dobór sposobu regulacji zależy od wymagań układu napędowego.

Regulacja szeregowa

Regulacja szeregowa polega na włączeniu rezystancji regulacyjnej Rar w szereg z obwodem twornika. Sposób ten stosuje się zarówno w silnikach bocznikowych, jak i szeregowych.




Rys. 1. Szeregowa regulacja prędkości obrotowej: a) w silniku bocznikowym, b) w silniku szeregowym


Włączając dodatkową rezystancję w obwód twomika, możemy regulować prędkość obrotową w dół, a więc poniżej prędkości odpowiadającej pracy na charakterystyce naturalnej (rys. 1). Zakres regulacji zawiera się więc w granicach od prędkości znamionowej do zera.
Regulacja szeregowa jest nieekonomiczna. Przy zmniejszeniu prędkości obrotowej do połowy, w oporniku regulacyjnym jest tracone dodatkowo 50% mocy pobieranej z sieci. Z tego względu regulacji szeregowej nie stosuje się w silnikach dużej mocy i w silnikach średniej mocy, jeżeli układ napędowy pracuje ze zmniejszoną prędkością przez dłuższy czas.
Regulator prędkości musi być tak wykonany pod względem cieplnym, aby wytrzymywał pracę ciągłą. Z tego względu do regulacji prędkości nie można wykorzystywać rozruszników.

Regulacja bocznikowa

Regulacja bocznikowa sprowadza się do osłabienia strumienia. W silnikach bocznikowych i obcowzbudnych rezystancję regulacyjną R_fr (w celu regulacji prądu wzbudzenia) włączamy w szereg z obwodem wzbudzenia, a w silniku szeregowym bocznikujemy obwód wzbudzenia.
Jak wynika z równania włączenie dodatkowej rezystancji w obwód wzbudzenia powoduje zmniejszenie strumienia i przy określonym prądzie powoduje wzrost prędkości. Zwiększa się przy tym prędkość biegu jałowego n₀ oraz nachylenie charakterystyki mechanicznej (rys. 2).




Rys. 2. Bocznikowa regulacja prędkości obrotowej: a) w silniku bocznikowym, b) w silniku szeregowym

Regulacja bocznikowa jest regulacją w górę od wartości n_N do ok. 3n_N, a przy tym jest regulacją ekonomiczną. Straty powstałe w rezystancji R_fr są pomijalnie małe w bilansie energetycznym maszyny.

Prowadząc regulację prędkości przez zmianę strumienia, należy mieć świadomość, jakie skutki może wywołać nadmierne osłabienie pola lub zanik prądu w obwodzie wzbudzenia silnika.

Jeżeli przy biegu jałowym strumień zmaleje do wartości strumienia szczątkowego, a silnik nie zatrzyma się, to prędkość obrotowa wielokrotnie wzrośnie (silnik rozbiega się). Z tego względu obwodu wzbudzenia silnika bocznikowego i obcowzbudnego nie wolno rozwierać (w silniku szeregowym nie wolno zwierać obwodu wzbudzenia). Regulator wzbudzenia powinien być tak wykonany, aby
jego rozwarcie było niemożliwe.

Regulacja przez zmianę napięcia zasilania

Regulację prędkości obrotowej przez zmianę napięcia twornika można uzyskać przez zastosowanie tyrystorowych regulatorów napięcia.
Zmieniając napięcie zasilające twornik, można przy znamionowym obciążeniu regulować prędkość od zera do wartości większej od prędkości znamionowej (rys. 3). W całym zakresie regulacji prąd twomika nie ulega zmianie i zależy tylko od obciążenia. Przy regulacji prędkości przez zmianę napięcia twomika (przy stałym strumieniu) charakterystyka regulacyjna jest liniowa. Jest to metoda wygodna i praktycznie bez strat.




Rys. 3. Charakterystyka mechaniczna silnika bocznikowego przy różnych wartościach napięcia zasilającego

W. Kędzior - „Podstawy napędu elektrycznego” Wydawnictwo PWr, Wrocław 1980

Z. Bajorek - „Teoria maszyn elektrycznych” Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1982

Z. Bajorek - „Teoria maszyn elektrycznych” Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1982

Z. Bajorek - „Teoria maszyn elektrycznych” Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1982

Z. Bajorek - „Teoria maszyn elektrycznych” Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1982

W. Kędzior - „Podstawy napędu elektrycznego” Wydawnictwo PWr, Wrocław 1980

A. Plamitzer - „Maszyny elektryczne”, Wydawnictwo Naukowo Techniczne, Warszawa 1986

W. Kędzior - „Podstawy napędu elektrycznego” Wydawnictwo PWr, Wrocław 1980

---