21. Rodzaje maszyn asynchronicznych, cechy charakterystyczne oraz wady i zalety. Rozruch silników asynchronicznych.

Trójfazowe maszyny asynchroniczne budowane są w dwóch odmianach konstrukcyjnych, jako maszyny o wirniku klatkowym lub pierścieniowym. Konstrukcja stojana jest w obu przypadkach taka sama. Blachowany wirnik silnika pierścieniowego posiada symetryczne uzwojenia fazowe tego samego typu jak w stojanie. Początki faz uzwojenia wirnika przyłączone są do pierścieni ślizgowych, a końce są ze sobą zwarte. Jarzmo wirnika silnika klatkowego jest wykonane również jako blachowane. W żłobkach wirnika znajdują się pręty miedziane, z mosiądzu lub brązu. Uzwojenie wirnika klatkowego może być również odlewane z aluminium.

W przeciwieństwie do silnika pierścieniowego, w przypadku wirnika klatkowego nie ma możliwości zmian obwodu zewnętrznego w czasie pracy.

Jeżeli uzwojenia stojana są wykonane symetrycznie pod względem zarówno elektrycznym, jak i geometrycznym i do uzwojeń tych przyłożone zostanie symetryczne napięcie trójfazowe, to spowoduje ono powstanie pola wirującego. Obracające się z prędkością synchroniczną pole, przecina uzwojenia nieruchomego wirnika, zaindukują się w nich napięcia przemienne o częstotliwości identycznej z częstotliwością napięcia zasilającego uzwojenia stojana. W takim stanie (przy zatrzymanym wirniku) maszyna asynchroniczna wykazuje jakby transformatora o dużej szczelinie powietrznej.

W wirniku klatkowym pod wpływem tych napięć popłyną prądy, gdyż obwody wirnika są stale obwodami zamkniętymi. W wirniku pierścieniowym po to, by mogły płynąć prądy konieczne jest zamknięcie obwodów uzwojeń wirnika poprzez przyłączenie do pierścieni trójfazowej impedancji (najczęściej rezystancji) lub przez bezpośrednie zwarcie pierścieni.

Metody rozruchu :

Rozruch bezpośredni.

Rozruch bezpośredni polega na załączeniu silnika ze zwartym uzwojeniem wirnika bezpośrednio do sieci na napięcie znamionowe przy częstotliwości znamionowej. W początkowej fazie rozruchu wirnik jest nieruchomy (poślizg silnika s=1). Pobierany jest wówczas duży prąd rozruchowy, kilkukrotnie (4 – 10) większy od prądu znamionowego silnika, zaś początkowy moment rozruchowy może być mniejszy od momentu znamionowego. Duży początkowy prąd rozruchowy silnika jest niepożądany, dla samego silnika i sieci zasilającej, powodując grzanie uzwojeń silnika duże spadki napięcia w sieci zasilającej, objawiające się np. przygasaniem żarówek.

Ze względu na te ograniczenia dopuszcza się rozruch bezpośredni silników o małych mocach jednostkowych, rzędu kilku – kilkunastu kW, zależnie od sztywności sieci zasilającej. Dodatkowym ograniczeniem w takim rozruchu jest mały początkowy moment

rozruchowy silnika, co powoduje iż moment obciążenie (moment od napędzanej maszyny) przy prędkości równej zeru powinien być mały aby nie spowodować utknięcia (zatrzymania) silnika. W efekcie, w praktyce, rozruch bezpośredni jest dokonywany bez obciążenia lub przy obciążeniu bardzo niewielkim.

Rozruch z zastosowaniem przełącznika gwiazda – trójkąt.

Połączenie w gwiazdę realizowane jest poprzez połączenie początków (lub końców) uzwojeń do wspólnego punktu, a pozostałych trzech końców do kolejnych faz sieci zasilającej .

Połączenie w trójkąt realizowane jest poprzez łączenie kolejno końca uzwojenia poprzedniej fazy z początkiem uzwojenia następnej fazy.

Przełącznik gwiazda – trójkąt stosowany jest w celu zmniejszenia prądu pobieranego z sieci w chwili rozruchu, przez zmniejszenie napięcia na zaciskach uzwojenia stojana. W pierwszej fazie rozruchu uzwojenie stojana połączone jest w gwiazdę, a następnie, po osiągnięciu przez silnik prędkości obrotowej (z reguły min. 50% prędkości znamionowej) uzwojenia stojana przełączane są w trójkąt.

Rozruch ten może być realizowany tylko w

silnikach indukcyjnych mających wyprowadzone na tabliczkę zaciskową sześć zacisków uzwojenia stojana.

Stosunek prądów rozruchowych pobieranych z sieci dla połączenia w gwiazdę i trójkąt jest

równy:

$$\frac{I_{\text{LY}}}{I_{L}} = \frac{\frac{U}{Z\sqrt{3}}}{\frac{U\sqrt{3}}{Z}} = \frac{1}{3}\text{\ \ } \rightarrow 3I_{\text{LY}} = I_{L}$$

Z powyższego wynika, że zastosowanie przełącznika Y/Δ powoduje trzykrotne zmniejszenie prądu rozruchowego pobieranego z sieci. W rzeczywistości ten stosunek może być większy, ponieważ nie uwzględniono w tych rozważaniach jeszcze innych czynników. Ponieważ moment rozruchowy jest proporcjonalny do kwadratu napięcia zasilającego stosunek momentu rozruchowego przy po łączeniu w gwiazdę do momentu rozruchowego przy połączeniu w trójkąt jest równy:

$$\frac{M_{Y}}{M_{}} = \left( \frac{U_{Y}}{U_{}} \right)^{2} = \left( \frac{\frac{U}{\sqrt{3}}}{U} \right)^{2} = \frac{1}{3}$$

Zatem moment rozruchowy silnika również maleje trzykrotnie, co jest zjawiskiem niekorzystnym.

Rozruch za pomocą autotransformatora

Ten sposób rozruchu stosuje się do silników o dużej mocy. Zadaniem autotransformatora jest zmniejszanie napięcia doprowadzanego do silnika do wartości 50 – 75% napięcia

znamionowego (0,5...0,75)Un.

Układy miękkiego rozruchu silnika (soft - start)

W nowoczesnych układach napędowych, do łagodnego rozruchu 3-fazowych silników indukcyjnych stosuje się specjalizowane urządzenia, nazywane układami „soft - start” (miękkiego rozruchu), które mają za zadanie redukuję niekorzystnych zjawisk występujących podczas rozruchu, wpływających na żywotność silników i jakość ich pracy.

W roli elementów sterujących stosuje się najczęściej tyrystory. Możliwe jest dzięki temu dokładne sterowanie procesem rozruchu silnika z jednoczesnym śledzeniem szeregu parametrów, jak prąd rozruchowy, moment silnika, prędkość obrotowa, itp.

Dzięki wykorzystaniu tych urządzeń znacznie redukuje się prąd rozruchu oraz udary mechaniczne silników, jego wału i negatywny wpływ tych procesów na urządzenia napędzane.

Rozruch silników asynchronicznych pierścieniowych

Zmiana rezystancji w obwodzie wirnika możliwa jest w silnikach pierścieniowych. Wzrostowi wartości rezystancji obwodu wirnika towarzyszy wzrost wartości poślizgu kry­tycznego i wzrost momentu rozruchowego, przy niezmienionej wartości momentu maksy­malnego. Zatem możliwe jest włączenie takiej rezystancji dodatkowej, by moment rozru­chowy był równy maksymalnemu. Przykładowe charakterystyki mechaniczne przedstawio­no na rys. 3.20.

Przy pominięciu wpływu parametrów uzwojenia stojana na wartość momentu, wzrost dodatkowej rezystancji w obwodzie wirnika R_ad ponad wartość (X_σr - R_r) powoduje zmniej­szanie się wartości momentu rozruchowego. Należy zdawać sobie sprawę, że przepływający przez dodatkową rezystancję prąd powoduje w niej straty mocy, co zmniejsza sprawność k* maszyny.

( w większości opracowań pisało ze spada wartość prądu wartość momentu, ale dopiero po przekroczeniu granicy na rysunku poniżej. )

Zalety i wady asynchronicznych silników klatkowych

Zasada działania silnika asynchronicznego jest identyczna w przypadku obu typów konstrukcyjnych maszyny (pierścieniowe, klatkowe). Istotne różnice między silnikami o tej samej mocy i prędkości kątowej w wykonaniu pierścieniowym i klatkowym są następujące:

1. Na wirnik klatkowy zużywa się mniej materiału przewodzącego, ponieważ połączenia czołowe (pierścienie zwierające klatkę) są znacznie krótsze. W silnikach pierścienio­wych długość połączeń czołowych jest zwykle większa od długości przewodu w żłobku.

2. Pręty wirnika klatkowego nie są izolowane, łatwiejsze jest zatem oddawanie ciepła do otoczenia. Z zasady więc są stosowane większe gęstości prądu niż w przypadku wirnika pierścieniowego.

3. Brak pierścieni ślizgowych zmniejsza wydatnie długość silnika klatkowego oraz uciąż­liwość troski o styk szczotki - pierścienie (iskrzenie, zużycie materiałów zarówno szczotki, jak i pierścieni itd.).

4. Budowa silnika klatkowego jest bardzo prosta, prosta jest więc również aparatura rozru­chowa (najtańszym sposobem jest zastosowanie przełącznika gwiazda - trójkąt).

5. Silniki klatkowe są tańsze, ponieważ zużywa się na nie mniej materiałów oraz wymagają mniejszego nakładu pracy.

6. W wyniku prostej konstrukcji większa jest niezawodność pracy silników klatkowych, a zatem mniejszy jest koszt eksploatacji i remontów.

Wada silników klatkowych wynika z krótkiego połączenia czołowego, czyli pierścieni zwie­rających klatkę. Mniejsza jest reaktancja rozproszenia - wpływa to na wartość prądu rozru­chowego. Przy tak zwanym normalnym wykonaniu (silnik jednoklatkowy) moment rozru­chowy jest niewielki. W celu zachowania zalet silnika klatkowego, przy równoczesnym wyeliminowaniu wad (duży prąd zwarciowy, mały moment) konstruuje się silniki o innych rozwiązaniach kształtów klatki wirnika - silniki głęboko żłobkowe i dwuklatkowe.

Zweryfikować

PIERŚCIENIOWE
wady: -skomplikowana budowa -duże koszty -mały współczynnik mocy -mała sprawność przy małym obciążeniu -trudny rozruch