2.1.

Rodzaje pól występujące w maszynach elektrycznych:

- stałe - oś jest nieruchoma, kierunek jest stały względem elementu (układu), odchylenia a zwrot i wartość są stałe,

- przemienne - oś jest nieruchoma (kierunek stały) względem elementu (układu) odchylenia a zwrot i wartość ulegają zmianom w czasie szczególnym przypadkiem takiego pola jest pole pulsacyjne (pulsujące), którego przy nieruchomej osi i zmiennej wartośći zachowuje stały zwrot.

- wirujące - oś wiruje względem układu odniesienia przy zachowaniu stałego zwrotu wzdłuż tej osi. Typowym i szczególnym przypadkiem jest pole wirujące o stałej wartości - pole wirujące kołowe, są też pola wirujące eliptyczne, gdzie wartość ulega zmianom.

Pole stałe można wytwarzać a pomocą magnesów trwałych lub elektromagnesów zasilających prądem stałym. Pole przemienne można wytworzyć za pomocą elektromagnesów zasilanych prądem przemiennym o częstotliwości f. Pole wirujące można wytworzyć przez wirujący elektromagnes zasilany prądem stałym.

2.4.

Rozróżnia się ze względu na:

- sposób zasilania: maszyny indukcyjne jednofazowe, dwufazowe i trójfazowe

- sposób wykonania uzwojenia wirnika: maszyny pierścieniowe i klatkowe.

- rodzaj ruchu: maszyny indukcyjne wirujące i liniowe.

Budowa: Maszyna indukcyjna składa się z części nieruchomej - stojan, część ruchoma - wirnik.

Obwód magnetyczny składa się z rdzenia stojana i rdzenia wirnika. Rdzenie stojana i wirnika są wykonane w formie pakietu z blach izolowanych między sobą. Na całym obwodzie rdzenia stojana i wirnika wycina się rowki zwane żłobkami, w których umieszcza się uzwojenia. Rdzeń stojana umieszcza się w kadłubie maszyny natomiast rdzeń wirnika bezpośrednio na wale (silnik małej mocy) lub na piaście (silnik dużej mocy). Każda maszyna indukcyjna wirująca składa się z 3 podstawowych elementów:

- rdzenia ferromagnetycznego, stanowiącego obwód mocy maszyny (składa się z rdzenia wirnika i stojana)

- uzwojenia stojana i wirnika, w których indukują się siły elektromotoryczne i płyną prądy

- elementy konstrukcyjne zapewniające ochronę, ruch, chłodzenie.

Silnik indukcyjny buduje się o mocach od kilku W do kilku MW przy napięciach zasilających od 100 V - 15 kV

2.6.

Silnik indukcyjny wykorzystuje wirujące pole magnetyczne wytworzone w jego stojanie przez umieszczone tam uzwojenie trójfazowe. Pod wpływem tego pola w nieruchomym wirniku indukuje się SEM i zaczyna płynąć prąd. Oddziaływanie pola magnetycznego na przewodnik z prądem powoduje powstanie siły F=BIl Wirnik zaczyna się obracać i po pewnym czasie osiąga prędkość ustaloną, która jest mniejsza od prędkości wirowania pola magnetycznego (prędkość synchroniczna). Prędkości synchronicznej silnik nie osiąga ponieważ oznaczałoby to zanik momentu obrotowego (wirnik byłby wtedy nieruchomy względem pola magnetycznego)

2.7.

Schemat zastępczy maszyny indukcyjnej.

2.8.

Wykres wskazowy maszyny indukcyjnej:

2.9.

Sprawność η - stosunek mocy mechaniczno - użytkowej silnika P_UŻ do mocy elektrycznej (czynnej) P₁ pobranej przez silnik z sieci zasilającej.

η = P_UŻ / P₁

Różnica między mocą pobraną z sieci a przekazaną do urządzenia napędzanego określa straty mocy w silniku.

ΔP = P₁ - P_UŻ

Straty mocy obejmują straty mocy w stojanie i wirniku. Na straty mocy w stojanie składają się:

- strata mocy w uzwojeniu stojana

ΔP_Cu1 = m R­­₁ I₁²

m - liczba faz, R₁ - rezystancja uzwojenia stojana

- straty mocy w rdzeniu stojana ΔP_Fe1 (do tych strat jest proporcjonalny prąd zastępczy strat w rdzeniu stojana I_Fe

Straty mocy w wirniku są sumą:

- straty mocy w uzwojeniu wirnika

ΔP_Cu2 = m R₂ I₂²

m - liczba faz, R₂ - rezystancja wirnika

- straty mocy w rdzeniu wirnika ΔP_Fe2

- straty mocy mechanicznych tarcia ΔP_mech

Moc P₁₂ jest mocą przeniesioną ze stojana do wirnika przez wirujące pole magnetyczne o prąd synchroniczny ϖ_m1 i odpowiada ona momentowi elektromag.

M= P₁₂ / ϖ_m1

2.11.

Moc idealna pola wirującego:

lub

P_Ψ = m₂ E₂₀' I₂ cosΨ₂ = m₁ E₂₀' I₂' cosΨ₂

P_in - moc czynna jaką silnik indukcyjny pobiera z sieci zasilającej, ΔP_Cu1 - straty w cewce stojana,
ΔP_Fe1 - straty w rdzeniu stojana

Mocy P_Ψ odpowiada moment elektromagnetyczny

M= P_Ψ/ϖ₁ ≈ 9,55 P_Ψ/n₁ Znając moc mechaniczną P_m i prędkość obrotową wirnika możemy zapisać:

M=9,55 P_m / n

W praktyce dla użytkownika maszyna elektryczna bardziej przydatna jest zależność między momentem użytkowym na wale a mocą oddawaną

M_UŻ = 0,159 P/n gdy n - obr/s

M_UŻ = 9,55 P/n gdy n - obr/min

2.12.

- rozruch za pomocą przełącznika gwiazda - trojkąt

Przełącznik gwiazda - trójkąt może być stosowany do rozruchu silników indukcyjnych tylko takich, które mają wyprowadzone na tabliczkę zaciskową 6 końcówek uzwojenia stojana. Napięcie sieci zasilającej powinno być równe napięciu znamionowemu uzwojenia stojana połączonego w trójkąt. Silnik załącza się do sieci przy ustawieniu przełącznika w takim położeniu, w którym ustawienie stojana jest połączone w gwiazdę, wirnik silnika zaczyna wirować. W chwili gdy ustali się prędkość obrotową silnika przełącznik należy położyć na położenie przy którym uzwojenie stojana jest połączone w trójkąt.

- rozruch za pomocą autotransformatora

Przez zastosowanie autotransformatora o przekładni ν uzyskuje się zmniejszenie momentu rozruchowego ν² razy oraz ze zmniejszeniem prądu sieci ν² razy.

Autotransformator może być wykonany z odpowiednio dużą liczbą zaczepów co pozwala na stopniowanie napięcia rozruchowego np. przez załączanie odpowiednich styczników.

Wyłącznik W jest w momencie przystępowania do rozruchu otwarty W₁ i W₂ zamknięty. Ustawiamy Ty tak, aby napięcie było niskie, przy którym następuje rozruch (regulujemy napięcie)

- rozruch za pomocą rezystancji włączonej w obwód stojana - stosuje się go w silnikach małej mocy

Dobranie oporników rozruchowych w taki sposób, aby moment początkowy zmniejszał się ν² razy powoduje zmniejszenie prądu zaledwie ν razy. Jest to wada w porównaniu z rozruchem za pomocą autotransformatora w obwodzie stojana w czasie rozruchu powstają duże straty.

2.13.

Charakterystyki mechaniczne silnika:

1 - pierścieniowego, 2 - klatkowego normalnej budowy, 3 - głęboko żłobkowego.

Silniki różnią się wartościami momentów rozruchowych. W silniku klatkowym staramy się powiększyć M_r przez zwiększenie rezystancji obwodu wirnika. Wpływa to na zwiększenie poślizgu przy pracy znamionowej, wzrost strat w obwodzie wirnika, zmniejszenie sprawności, ale za to umożliwia rozruch przy znacznym obciążeniu. Pod tym względem korzystniejszy jest silnik pierścieniowy. Właściwe warunki przy rozruchu zapewnia rozrusznik, a dzięki małej rezystancji uzwojenia wirnika silnik pracuje przy mniejszym poślizgu, a więc większej sprawności. Silnik głęboko żłobkowy i dwuklatkowy są podobne do siebie. W okresie rozruchu zostaje sztucznie powiększona rezystancja w obwodzie wirnika. Wskutek czego M_r wzrasta, a prąd rozruchowy maleje.

2.14.

Przeciążalność momentem silnika indukcyjnego „U” jest to stosunek momentu krytycznego M_k do momentu znamionowego M_N

U=M_k / M_N

Moment silnika indukcyjnego jest proporcjonalny do kwadratu napięcia, więc odniesienia napięcia w sieci znacznie zmniejsza wartość momentu, dlatego punkt pracy znamionowej silnika powinien na krzywej
M ≠ f(s) leżeć znacznie niżej niż punkt pracy krytyczny, aby obniżenie się napięcia sieci nie spowodowało zahamowania silnika. Najczęściej moment znamionowego jest około 2-krotnie mniejszy od krytycznego czyli U=2

2.15.

Prędkość obrotowa maszyny indukcyjnej

n=(1-s)*60f₁/p

60f₁/p n₁

f₁ - częstotliwość napięcia zasilającego, p - liczba par biegunów, s - poślizg, n - prędkość wirowania wirnika, n_s - prędkość synchroniczna.

Wartość względna poślizgu: s = (n_s - n)/n

Regulacja prędkości obrotowej w silnikach indukcyjnych może odbywać się przez zmianę:

- częstotliwości f₁

- liczby par biegunów p,

- rezystancji R_r2 (lub reaktancji indukcyjnej X_r2) w obwodzie wirnika,

- napięcia U₁,

- napięcia E₂,

- częstotliwości f₂.

f₂ = f₁ * s

- Zmianę częstotliwości napięcia zasilającego powoduje zmianę prędkości wirowania pola a więc również prędkość wirowania wirnika. Do zmiany częstotliwości stosuje się półprzewodnikowe przetworniki częstotliwości.

- Regulacja prędkości obrotowej przez zmianę liczby par biegunów. Zmieniając liczbę par biegunów p uzyskuje się zmiany prędkości synchronicznej, a więc także zmiany prędkości obrotowej wirnika. Zmiany liczby par biegunów uzyskuje się przez zastosowanie specjalnego rodzaju uzwojenia, najczęściej sposób ten stosowany jest w silnikach klatkowych gdyż w silniku pierścieniowym trzeba by równocześnie przełączać liczbę par biegunów uzwojenia wirnika natomiast w silniku klatkowym wirnik samoczynnie uzyskuje liczbę par biegunów = liczbie par biegunów stojana. Zmiana liczby par biegunów realizowana jest poprzez przełączanie cewek. Wada to, że jest to regulacja skokowa.

- Regulacja prędkości obrotowej przez zmianę rezystancji w obwodzie wirnika (tylko dla silników pierścieniowych)

Wadą jest mała sprawność (moc tracona na rezystancjach regulacyjnych) jest to układ stosunkowo drogi. Wiąże się z płynną regulacją - płynna regulacja rezystancji, duże wielkości maszyn.

- Regulacja przez zmianę napięcia zasilającego U

2.16.

Silniki jednofazowe znajdują zastosowanie w automatyce, przemyśle lekkim, gospodarstwie domowym. Są to maszyny do około 1 kW. Wirniki tych silników są z reguły klatkowe, wyjątkowo pierścieniowe.

Charakterystyka mechaniczna maszyny jednofazowej:

Z charakterystyki widać iż maszyna ta nie wytwarza momentu rozruchowego przy nieruchomym wirniku. Wprawdzie w prętach klatki płyną prądy, lecz siły powstające w tych warunkach wytwarzają dwa momenty składowe równe co do wartości lecz przeciwne do zwrotu. Gdy ręcznie nadamy wirnikowi prędkość to zaczyna on wirować. Aby w maszynie powstał M_r w stojanie umieszcza się uzwojenie dodatkowe tzw. fazę rozruchową, której oś tworzy w przestrzeni z osią fazy roboczej kąt elektryczny np. ~ 90 stopni. Jeżeli prądy płynące w tych uzwojeniach będą przesunięte względem siebie w fazie o kąt ~ 90 stopni to powstanie pole wirujące kołowe i w chwili zasilania nieruchomego wirnika napięciem pojawi się M_r

Aby uzyskać przesunięcie fazowe pomiędzy prądami w fazie roboczej i rozruchowej włączamy w szereg z fazą rozruchową kondensator. Po uruchomieniu silnika fazę rozruchową można rozłączyć

_____________________________________

I₁

X₁

R₁

X_z'

R_z'

R₂' (1-s)/s

R_Fe

X_f

U

U_R1

U_i

U_Rz'

I₂'

U_X1

U_Xz'

I₀

I_f

I_DW

I₂'

X₂'

R₂'

f₂ = f₁

R₂' (1-s)/s

E₂₀'

---