Akademia Górniczo-Hutnicza	ŁUKASIK Adrian RADZIK Jarosław
Laboratorium Napędów Elektrycznych i Energoelektroniki
Wydział: EAIiIB	Rok akademicki: 2014/2015	Rok studiów: III
Temat ćwiczenia: WYSOKOOBROTOWY TRÓJFAZOWY SILNIK INDUKCYJNY
Data wykonania: 09.01.2015	Data oddania: 16.01.2015	Ocena:

1. Opis ćwiczenia

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z właściwościami silnika indukcyjnego, jego metodami sterowania oraz budową.

1. Wstęp

Maszyny indukcyjne charakteryzują się prostotą budową, dobrymi właściwościami ruchowymi i łatwością obsługi. Te cechy, oraz stosunkowo niewysoka cena, decydują o ich szerokim zastosowaniu w energetyce, budownictwie, rolnictwie, transporcie, gospodarce komunalnej oraz w przemysłowych procesach technologicznych.

Jednofazowe silniki indukcyjne są powszechnie stosowane w urządzeniach gospodarstwa domowego, urządzeniach technologicznych małej mocy, rzemiośle oraz rolnictwie, a także w pomocniczych napędach przemysłowych.

Wykorzystywanie elementów półprzewodnikowych mocy w sterowaniu pracą silników prądu przemiennego pozwala na łagodne włączanie i hamowanie silników indukcyjnych, natomiast możliwość współpracy z systemami komputerowymi przyczynia się do stosowania nowoczesnych rozwiązań układów sterowania silnikami w układach napędowych o regulowanej i nieregulowanej prędkości obrotowej.

Głównymi zaletami, które były powyżej wymienione, są:

• prostą budowę silnika

• duży stosunek momentu do masy silnika

• dużą sprawność

• względnie prosty układ sterowania

• sterowanie w szerokim zakresie prędkości

• wysoki moment rozruchowy

• szerokie zastosowanie

Każda maszyna indukcyjna może pracować jako silnik lub jako prądnica. Znacznie szersze zastosowanie w gospodarce mają silniki indukcyjne, najczęściej w energetyce, małych elektrowniach (wodnych) lub w agregatach prądotwórczych.

Rodzaje silników indukcyjnych

ze względu na sposób wykonania obwodów elektrycznych wirnika:

- maszyny o wirniku pierścieniowym z uzwojeniem symetrycznym wielofazowym, połączonym za pomocą pierścieni ślizgowych, np. z rozrusznikiem lub ze źródłem zasilania

- maszyny o wirniku klatkowym, w którym obwody elektryczne wielofazowe wykonane są z połączonych prętów oraz pierścieni odlewanych lub spawanych

- maszyny o wirniku pierścieniowo - klatkowym, z uzwojeniem fazowym przyłączonym do pierścieni ślizgowych oraz uzwojeniem klatkowym (stosowane jako silniki o mocy większej niż 1MW).

ze względu na zakres parametrów znamionowych:

- niskiego napięcia - o mocy nie większej niż 300 kW
- wysokiego napięcia - o mocy nie mniejszej niż 160 kW
- o częstotliwości 50 - 60 Hz, lub o częstotliwości zwiększonej - np. 150 albo 400 Hz
- o częstotliwości do 3500 Hz - silniki do technologii wysokoobrotowej.

ze względu na sposób zasilania:

- maszyny indukcyjne jednofazowe - o mocy do 2 kW
- maszyny indukcyjne dwufazowe - stosowane jako silniki wykonawcze w grupie maszynowych elementów automatyki
- maszyny indukcyjne trójfazowe - najpowszechniej stosowane
- maszyny indukcyjne o liczbie faz większej niż 3, stosowane w wielofazowych układach przekształtnikowych

ze względu na rodzaj ruchu:

- maszyny indukcyjne wirujące
- maszyny indukcyjne liniowe

ze względu na sposób przystosowania do warunków środowiskowych i napędowych, o określonym:

- stopniu ochrony
- rodzaju wykonania
- układzie chłodzenia

1. Budowa

Rys. 1 Silnik indukcyjny - budowa

Silnik indukcyjny składa się z części nieruchomej w kształcie walca, zwanej stojanem i części ruchomej zwanej wirnikiem, także w kształcie walca. Obwód magnetyczny tworzą rdzenie stojana i wirnika wykonane w formie pakietu z blach odizolowanych od siebie o ok.0,5 mm (Rys. 2). Stojan i wirnik są oddzielone od siebie szczeliną powietrzną o grubości rzędu kilku dziesiątych mm w małych maszynach i od 1 do 3 mm w dużych (pow. 20 kW). Na całym obwodzie rdzenia stojana i wirnika wycina sie rowki o specjalnym kształcie, zwane żłobkami, w których umieszcza sie uzwojenia. Rdzeń stojana umieszcza sie w kadłubie maszyny, natomiast rdzeń wirnika - w maszynach małej mocy na wale, natomiast w maszynach o dużych mocach na piaście.

Rys. 2 Budowa silnika indukcyjnego – przekrój poprzeczny

Uzwojenia stojana silnika trójfazowego składa się z trzech oddzielnych uzwojeń zwanych fazami, które w czasie pracy są połączone w gwiazdę lub w trójkąt. W małych silnikach stosuje się w stojanie uzwojenia jednofazowe lub dwufazowe. Uzwojenia stojanów wykonuje się z izolowanego drutu nawojowego, dodatkowo impregnowanego i usztywnionego. Uzwojenia są odizolowane od rdzenia izolacją żłobkową, zabezpieczone przed wypadaniem ze żłobka za pomocą klinów.

Rodzaje budowy wirników silników indukcyjnych

Podział silników indukcyjnych ze względu na rodzaj wirnika:

      − klatkowe,
      − pierścieniowe.

1. Charakterystyka

Rys.3 Charakterystyka mechaniczna silnika indukcyjnego

Można wyróżnić trzy zakresy pracy silnika indukcyjnego:

1) praca silnikowa od prędkości zero do synchronicznej (kierunek ruchu wirnika jest zgodny z kierunkiem wirowania pola, a prędkość silnika jest mniejsza od synchronicznej)

2) praca generatorowa powyżej prędkości synchronicznej (kierunek ruchu wirnika jest zgodny z kierunkiem wirowania pola, a prędkość silnika jest większa od synchronicznej).

3) praca w zakresie tzw. hamowania przeciw włączeniem (kierunek ruchu wirnika jest przeciwny do kierunku wirowania pola).

Rys.4 Podstawowy – klasyczny układ sterowania silnika

Kierunek wirowania i prędkość uzależniona jest od kolejności i częstotliwości łączeń 6 tranzystorów mocy T1 – T6 trójfazowego mostka tranzystorowego.

W takim układzie sterowania przyjmuje się przepływ prądu w dwóch fazach uzwojenia, a zatem jednocześnie przewodzi jeden górny i jeden dolny tranzystor mostka. O kolejności włączania tranzystorów i kierunku ruchu wirnika decyduje położenie wirnika. Szerokość sygnału PWM i jego częstotliwość decyduje o prędkości obrotowej silnika i częstotliwości łączeń tranzystorów T1-T6.

Rys. 5 Sekwencja przełączania kluczy falownika napięcia zasilającego

1. Pomiary w układzie rzeczywistym

Rys. 6 Przebieg pracy silnika indukcyjnego

Powyższy przebieg wskazuje na prace silnika indukcyjnego. Zmieniając częstotliwość musieliśmy również dokonać korekty napięcia by stosunek $\frac{U}{f} = const.$ Tylko przy zachowaniu tej zależności silnik indukcyjny zacznie pracować.

Rys. 7 Przebieg obrazujący moment przełączania się tranzystorów

Powyższy oscylogram pokazuje moment przełączania się kluczów tranzystorowych w zastosowanym do zasilania układu falowniku.

Wnioski

Szerokie zastosowanie maszyn indukcyjnych w przemysłowych procesach technologicznych i układach automatyki, wiąże się przede wszystkim z ich prostą budową i łatwą obsługą oraz niewysoką ceną. Ich mało skomplikowana budowa oraz sposób budowy skutkują bardzo długą żywotnością oraz bezawaryjnością. Dobrze zaprojektowany oraz później złożony praktycznie jest bezawaryjny. Napędy elektryczne w gospodarce, przemyśle, energetyce, rolnictwie, transporcie i gospodarce komunalnej, realizowane są za pomocą trójfazowych silników indukcyjnych. Natomiast jednofazowe silniki indukcyjne stosowane są powszechnie w urządzeniach gospodarstwa domowego, urządzeniach technologicznych małej mocy i w usługach.

Silniki trójfazowe prądu przemiennego posiadają na stojanie trójfazowe symetryczne uzwojenia, których liczba musi być podzielna przez 3. Jego cechą jest fakt, że nie może kręcić się z prędkością synchroniczną, gdyż wypadkowy strumień równy jest 0 (w efekcie silnik nie indukuje napięcia). Sterowanie silników indukcyjnych odbywa się poprzez zmianę częstotliwości – jest to regulacja bardzo precyzyjna oraz zmianę liczby par biegunów – regulacja skokowa, nie jest precyzyjna. Podczas sterowania silnikiem należy pamiętać o zachowaniu stosunku $\frac{U}{f} = const.$