1. ROZRUCH

1. Uwagi ogólne.

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

Jeżeli silnik asynchroniczny klatkowy normalnej budowy lub pierścieniowy ze zwartym obwodem uzwojenia wirnika zasilimy przy postoju (
) bezpośrednio napięciem znamionowym, to prąd pobierany z sieci osiągnie wartość kilkakrotnie większą niż prąd znamionowy. Prąd ten w stanie ustalonym (a więc przy unieruchomionym wirniku) jest równy ustalonemu prądowi zwarcia, który w ty­powych silnikach osiąga 4.,.8-krotną wartość prądu znamionowego. Mimo tak znacznego prądu moment rozruchowy jest na ogół mały, znacznie mniejszy niż moment znamionowy, ponieważ współ­czynnik mocy, mający istotny wpływ na jego wartość, jest w tym stanie bardzo mały (
). Nie bez znaczenia jest również pewne zmniejszenie się wartości strumienia głównego, co dodatkowo wpływa na zmniejszenie wartości momentu rozruchowego.

Znaczny prąd rozruchowy może okazać się groźny dla silnika pod względem skutków cieplnych mimo, że czas trwania rozruchu nie przekracza na ogół kilku do kilkudziesięciu sekund. Z niebezpieczeństwem tym należy się liczyć przede wszystkim w silnikach dużych, a także w przypadku często powtarzanych rozruchów. Dlatego też w instrukcjach eksploatacyjnych należy określać warunki rozruchu i dopuszczalną ich liczbę w ciągu godziny.

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, zasila­nych z tej sieci. Mały moment rozruchowy przy rozruchu bezpośrednim jest na ogół wystarczający do uruchamiania silnika nieobciążonego (średnie i duże silniki pierścieniowe nie ruszają zwykle przy bezpośrednim rozruchu nawet bez obciąże­nia). Przy obciążeniu zbliżonym do obciążenia znamionowego, a tym bardziej przy obciążeniu zwiększonym rozruch bezpośredni jest niemożliwy.

O czasie trwania rozruchu decyduje nadwyżka momentu rozruchowego nad statycznym momentem obciążenia (moment dynamiczny M_d): im nadwyżka ta jest większa, tym krótszy jest czas rozruchu.

Prąd w początkowej chwili rozruchu (wartość ustalona) jest równy ustalonemu prądowi zwarcia. Ze wzoru tego wynika, że zmniejszenie prądu rozruchowego jest możliwe przez obniżenie napięcia zasilania oraz przez powiększenie rezystancji w obwodzie stojana lub wirnika. Obniżenie napięcia zasilania powoduje wprawdzie pożądane zmniej­szenie prądu rozruchowego, lecz równocześnie tak znaczne zmniejszenie momentu rozruchowego (
), że można je stosować wyłącznie przy rozruchu bez obciążenia. Włączenie rezystancji w obwód wirnika wpływa na zmniejszenie prądu rozruchowego przy równoczesnym wzroście momentu rozruchowego i z tego względu jest bardzo korzystne, szczególnie w przypadku rozruchu przy obciążeniu.

4.8.2. Rozruch silników pierścieniowych

Rozruch silników pierścieniowych przeprowadza się za pomocą rozrusznika R_r włączonego w obwód wirnika (rys.1). Zmiana rezystancji R_r wpływa na zmianę momentu i prądu przy rozruchu wzrost rezystancji R_r powoduje prze­suwanie się maksimum momentu w kierunku rosnących poślizgów przy równocze­snym zmniejszaniu się wartości prądu rozruchowego. Przebieg zjawisk przy właści­wie przeprowadzonym rozruchu przedstawiony jest na rys.2

Kolejność czynności przy rozruchu silnika pierścieniowego powinna być następująca. Przed przyłączeniem silnika do sieci zasilającej należy sprawdzić, czy rozrusznik został nastawiony na największą rezystancję. W silnikach wyposażonych w przyrząd służący do zwierania pierścieni i podnoszenia szczotek należy dodatkowo sprawdzić właściwe położenie dźwigni tego mechanizmu: pierście­nie powinny być rozwarte, a szczotki do nich przylegać. Po wykonaniu tych czyn­ności załączamy wyłącznik silnika.

Po przyłączeniu silnika do sieci zasilającej silnik rusza, pracując w warun­kach odpowiadających przebiegowi charakterystyk na danym stopniu rozrusznika. Po osiągnięciu odpowiedniej prędkości obrotowej należy przełączyć rozrusznik na następny stopień. Przełączenie powinno następować w takiej chwili, aby nie pojawiał się prąd większy niż początkowy prąd rozruchu. Przedwczesne przełączanie z jednego stopnia na drugi powoduje niepożądane, nad­mierne „uderzenia prądu" i nagłe zwiększenie momentu obrotowego, co jest przyczyną gwałtownych przyspieszeń i niespokojnej pracy maszyny. Zbyt późne prze­łączenie z jednego stopnia na drugi powoduje wydłużenie czasu rozruchu. Od właści­wego dobom rozrusznika i sposobu posługiwania się nim zależy więc przebieg zjawisk przy rozruchu. Im większa jest liczba stopni rozrusznika tym bardziej płynny i krótszy jest rozruch. Po zakończeniu rozruchu rozrusznik należy zewrzeć. W przy­padku maszyny z podnoszonymi szczotkami należy zewrzeć pierścienie i podnieść szczotki, a następnie nastawić rozrusznik w położenie wyjściowe, tj. na najwyższą rezystancję.

Rozruszniki są przeznaczone do pracy dorywczej lub przerywanej (tylko w okresie rozruchu) i dlatego oblicza się je pod względem cieplnym na krótki czas działania. W związku z tym nie można używać rozrusznika do pracy ciągłej, gdyż groziłoby mu nadmierne nagrzanie i uszkodzenie. Przy projektowaniu rozrusznika przeznaczonego do napędu wymagającego częstego uruchomiania należy podać liczbę włączeń w określonym czasie.

2. Wartość poślizgu krytycznego ^, przy którym występuje moment maksymalny, nie zależy od napięcia zasilania. W typowych maszynach asynchro-nicznych pierścieniowych stosunek Rz/^sz Jest rzędu 1/5...1/15, dlatego poślizg krytyczny ^ ^ ^2/^2 tych silników w przybliżeniu wynosi ^ % 0,2...0,06.

Zbadajmy z kolei wpływ zmiany rezystancji R^ i reaktancji indukcyjnej X^ włączonych w obwód uzwojenia wirnika, na przebieg charakterystyki momentu. Maszynie z włączoną rezystancją Ry w obwodzie wirnika odpowiada schemat przed­stawiony na rys. 4.19c, d, w którym zamiast rezystancji R^ (rys. 4.19a, b) występuje rezystancja (R^-^-Rr)' Odpowiednio do tego we wszystkich wzorach, określających parametry maszyny, należy zamiast R^ podstawić rezystancję (R^+Rr)' W wyniku tego wzory na moment (4.79a) i poślizg krytyczny (4.82) przybierają postać natomiast wzór (4.83), określający wartość momentu maksymalnego, nie ulega zmianie. Na tej podstawie dochodzimy do wniosku, że wzrost rezystancji R^, przy zachowaniu stałej wartości napięcia zasilania U^, powoduje wzrost poślizgu krytycz­nego (dla ó > 0) przy niezmienionej wartości momentu maksymalnego. W wyniku tego na wykresie M == f(s) (rys. 4.38) występuje przesuwanie się maksimum charak­terystyki w kierunku większych poślizgów. Zmieniając wartość rezystancji Ry można uzyskać różne charakterystyki. Za szczególne położenie uznamy to, przy którym ^k = (-^2+^r)/^2 = l, to znaczy maksimum momentu występuje przy postoju maszyny (na rys. 4.38 krzywa dla ^3; ^ == l). Jeżeli tak dobierzemy rezystancję Rr, że Sk = (^2 +^r)/^s2 > l, to maksimum charakterystyki przemieści się w obszar pracy hamulcowej (na rys. 4.38 krzywa dla ^4).

Włączenie dodatkowej reaktancji indukcyjnej X y w obwód wirnika powoduje pojawienie się w schemacie zastępczym i we wzorach reaktancji (X^-^-Xr) zamiast reaktancji X^. Prowadzi to do zmniejszenia wartości momentu maksymalnego, przy równoczesnym zmniejszeniu wartości poślizgu krytycznego.

Właściwości ruchowe maszyny asynchronicznej charakteryzuje między innymi wartość największego momentu, występującego przy zasilaniu napięciem znamionowym. Wartość tę określamy pośrednio za pomocą stosunku momentu maksymalnego M^ax do momentu znamionowego M n, zwanego przeciążalnoscią silnika', p == M^^l^fn- Przeciążalność określa górną granicę obciążenia maszyny momentem. Po przekroczeniu tej granicy silnik zatrzymuje się (utyka, rozdz. 4.7.5). W razie potrzeby odróżnia się przeciążalność momentem od przeciążalności mocą. Przepisy określają minimalną wartość przeciążalności na 1,6 w przypadku silników pierścieniowych i 1,5 w przypadku silników klatkowych. Jeżeli napęd pracuje w trud­nych warunkach, to należy zastosować silnik o większej przeciążalności. I tak na przykład w urządzeniach dźwigowych stosuje się silniki asynchroniczne o prze­ciążalności 2...2,5.

Wartości momentu przy różnych poślizgach obliczyć można ze wzoru Klossa (4.88a), określającego stosunek momentu M przy dowolnym poślizgu do momentu maksymalnego M^x- Korzystając ze wzorów (4.79) i (4.83) możemy napisać Jeżeli do powyższego równania wprowadzimy wyrażenie przybliżone na poślizg krytyczny s^ ^ -^2/^2 > to Przy bardzo małych poślizgach s w O, można pominąć człon s/Sk wobec Sk/s i napisać Wykres odpowiadający temu wzorowi przedstawiony jest na rys. 4.39a w postaci prostej b (por. z prostą b na rys. 4.36). Przy s w O stanowi ona dostateczne przybliżenie rzeczywistego przebiegu, zgodnie z wzorem (4.79b). Przebiegiem przybliżonym posługujemy się często w zakresie poślizgów —^<^<^. Odpowiada mu schemat zastępczy obwodu wirnika, w którym pominięta jest reaktancja indukcyjna X'^ wobec rezystancji R^/s (rys. 4.39b).

---