SILNIK PRĄDU PRZEMIENNEGO:

Ponad 50% wykorzystywanej energii elektrycznej przypada na napędy elektryczne, tj. układy zmieniające energię elektryczną na energię mechaniczną. Zjawisko to dokonuje się w silniku i jest to często silnik asynchroniczny. 1. Silniki asynchroniczne trójfazowe. 2. Metody rozruchu silników prądu przemiennego. 3. Ogólnie. 4. Układy łagodnego rozruchu silników asynchronicznych. 5. Metody regulacji prędkości obrotowej maszyny indukcyjnej.

Silniki asynchroniczne trójfazowe.

do góry Silnik asynchroniczny jest obecnie najbardziej popularnym silnikiem. Standaryzacja budowy mechanicznej ułatwia dobranie silnika praktycznie do każdego układu napędowego, niezależnie od producenta. Istnieje kilka rodzajów silników asynchronicznych, jednakże zasady ich działania są, bardzo podobne. Budowa typowego silnika asynchronicznego pokazano na rysunku. 1).Obudowa 2). Łożysko ślizgowe 3).Obudowa łożysk 4).Wentylator 5).Przykrywa wentylatora 6).Zaciski podłączeniowe 7).Rdzeń 8).Uzwojenia falowe 9).Wirnik 10). Wał silnika1).Obudowa 2). Łożysko ślizgowe 3).Obudowa łożysk 4).Wentylator 5).Przykrywa wentylatora 6).Zaciski podłączeniowe 7).Rdzeń 8).Uzwojenia falowe 9).Wirnik 10). Wał silnika Podstawowymi częściami silnika są stojan wirnik. Stojan stanowi nieruchomą częścią silnika. Składa się z następujących części: obudowy (1), łożysk ś1izgowych (2) utrzymujących wirnik, obudowy łożysk (3) - zamykającej obudowę stojana, wentylatora (4), przykrywy wentylatora (5), pokrywy zacisków podłączeniowych (6). W obudowie stojana umieszczona jest właściwa część stojana rdzeń (7), składający się z cienkich blach stalowych o grubości 0,5... 0,7 mm oraz uzwojeń fazowych (8). Uzwojenie fazowe wraz ze stojanem wytwarzają pole magnetyczne o okreś1onej liczbie par biegunów. Liczba ta określa prędkość wirującego pola magnetycznego. Jeśli silnik pracuje z prędkości znamionowej, to prędkość pola magnetycznego jest prędkości synchroniczną n. Wirnik (9) jest umieszczony na wale silnika (10). Podobnie jak stojan jest on wykonywany z cienkich blach stalowych z odpowiednimi szczelinami. Konstrukcja taka zapobiega niekorzystnemu zjawisku indukowania się prądów wirowych. Wirnik może mieć konstrukcję z pierścieniami ślizgowymi lub być kr?tkozwarty. Wirniki poszczególnych silników różnią się wielkością i liczbą uzwojeń. Wirnik silnika pierścieniowego trójfazowego składa się - podobnie jak stojan - z nawiniętych uzwojeń, umieszczonych w odpowiednich wyżłobieniach. Uzwojenia każdej z faz są, wyprowadzone do pierścieni ś1izgowych. Jeśli pierścienie takiego silnika zostaną zwarte, wirnik będzie pracował podobnie jak wirnik silnika klatkowego kr?tkozwartego. Pole magnetyczne w silniku wytwarzane jest w części nieruchomej, zwanej stojanem. Natomiast przewodnik, na który oddziaływuje siła elektromagnetyczna jest czcią ruchomą, zwana wirnikiem. Silnik prądu przemiennego można najogólniej podzielić na silniki: synchroniczne, asynchroniczne oraz komutatorowe. W dalszej części pracy omówione zostaną przede wszystkim trójfazowe silniki asynchroniczne, z którymi współpracują przemienniki częstot1iwości. Ponad połowa produkowanej w świecie energii elektrycznej jest obecnie przetwarzana przez silniki elektryczne na energię mechaniczną. Maszyna elektryczna, a szczególnie trójfazowy silnik klatkowy pozwala na proste i ekonomiczne przetwarzanie energii elektrycznej na energię mechaniczną. W procesie przemiany energii elektrycznej na mechaniczną bierze udział zarówno silnik elektryczny, będący przetwornikiem, jak też sama maszyna robocza oraz system sterowania . Schemat napędu z silnikiem asynchronicznym klatkowym. Zadanie sterowania polega zwykle na dopasowaniu prędkości obrotowej oraz momentu napędowego w stanach dynamicznych i statycznych do potrzeb procesu technologicznego. Warunkiem poprawnej współpracy przetwornicy z układem napędowym jest przeprowadzenie dokładnej analizy rodzaju momentu obciążenia. Każdy układ napędowy charakteryzuje się momentem statycznym i momentem dynamicznym. Moment statyczny jest równy momentowi oporowemu, jaki wytwarza maszyna robocza w stanie pracy ustalonej. Moment dynamiczny Md równy jest różnicy pomiędzy momentem silnika a momentem statycznym .Prawidłowo dobrany silnik do układu napędowego, powinien zapewniać moment rozruchowy równy przynajmniej 1,2 Ms, aby umożliwić płynny rozruch i odpowiednią dynamiką przyśpieszania w całym zakresie prędkości obrotowej.

Metody rozruchu silników prądu przemiennego.

do góry Bezpośrednie załączanie silnika klatkowego do trójfazowej sieci prądu przemiennego powoduje gwałtowny wzrost prądu pobieranego przez silnik. Występuje tzw. udar prądu rozruchowego, który przewyższa prąd znamionowy kilkakrotnie (zazwyczaj pięć lub więcej razy) oraz powoduje największe obciążenie mechaniczne wirnika, sprzęgieł, przekładni i przyłączonego obciążenia. Stosowanie elementów obniżających napięcie przy rozruchu, np: przełącznik gwiazda - trójkąt, niewiele pomaga w tej sytuacji, gdyż wciąż występuje obciążenie udarowe, które powstaje na skutek impulsów prądowych, powodujących powstawanie składowych przejściowych momentu, w chwilach przełączania układu. Występujące obciążenia udarowe są przyczyną skrócenia czasu eksploatacji elementów układu oraz podwyższają koszty eksploatacji i utrzymania. Rozruch silnika asynchronicznego klatkowego oraz praca z małą prędkością obrotowe stwarzają wiele problemów. Problemy takie nie występują w przemienniku częstotliwości, itry wprowadza korektę podstawowych parametrów wyjściowych. Kompensacją rozruchu zapewnia strumieni magnesujący i maksymalny moment początkowy przy pracy z małymi prędkościami. Kompensacja poślizgu umożliwia stabilną, pracą układu napędowego w całym zakresie prędkości obrotowej, a kompensacją napięcia wyjściowego w funkcji obciążenia zapobiega nadmiernemu namagnesowaniu się silnika zaraz po rozruchu. Płynie wówczas do silnika składowa bierna prądu o dużej wartości i powoduje jego przegrzewanie. Przemiennik częstotliwości nie pozwala by dla różnych częstotliwości prąd wyjściowy przemiennika był większy od prądu znamionowego silnika. Przebieg prądów silnika przy rożnych metodach rozruchu: 1 - bezpośrednie załączenie sieci 2 - przełącnik gwiazda - trójkąt 3 - zasilanie z autotransformatora 4 - zasilanie sofstartu Wirnik silnika asynchronicznego klatkowego krótkozwartego. Wirnik silnika klatkowego składa się z umieszczonych w wyżłobieniach aluminiowych prętów. Z obu stron wirnika pręty są zwarte aluminiowymi pierścieniami. Wirnik tego typu jest najczęściej spotykany wśród produkowanych silników asynchronicznych. Z punktu widzenia teorii, zasada pracy silników asynchronicznych jest wspólna dla wszystkich typów. Z tego względu rozważania dotyczące silnika asynchronicznego ograniczone bądź do silnika z wirnikiem kr?tkozwartym. Rozwiązania te przedstawiono na rysunku poniżej. Jeśli prąd wirnika znajduje się w wirującym polu magnetycznym, to jest on poddany siłom tego pola. Zasada działania silnika klatkowego W typowym silniku wartość prądu magnesującego jest dobierana automatycznie do mocy tego silnika. W niektórych przemiennikach prąd magnesujący może być ustawiony przez użytkownika na podstawie danych katalogowych silnika. Bardzo użyteczną ich cechą jest tzw. autodopasowanie do silnika, z którym współpracują. Właściwością tą wyróżniają się na przykład przemienniki firmy Danfoss, które automatycznie dobierają wartość prądu magnesującego silnika.

Ogólnie.

do góry Rozwój technologii wytwarzania półprzewodnikowych przyrządów mocy, zwłaszcza w pełni sterowalnych, stworzył coraz szersze możliwości wykorzystywania układów energoelektronicznych do regulacji prędkości kątowej maszyn prądu przemiennego. W porównaniu z silnikami prądu stałego, silniki prądu przemiennego charakteryzują się dużą niezawodnością, małymi momentami bezwładności i małymi gabarytami, a także łatwą obsługą i konserwacją. Napędy z silnikami prądu przemiennego wyposażone są w różnorodne odmiany układów energoelektronicznych, które umożliwiają regulację prędkości kątowej i momentu obrotowego oraz sterowania procesami rozruchu, hamowania i nawrotami silnika. Prędkość kątową silników klatkowych można wyregulować przez zmianę częstotliwości napięcia zasilającego silnik. Taka regulacja odbywa się praktycznie bez strat mocy. Wśród najczęstszych rozwiązań układów z regulacją prędkości obrotowej, wyposażonych w silniki prądu przemiennego należy wymienić: - tyrystorowe regulatory napięcia przemiennego, - bezpośrednie przemienniki częstotliwości, - tyrystorowe kaskady podsynchroniczne, - pośrednie przemienniki częstotliwości z falownikiem napięcia i prądu. W zakresie średnich mocy napędy o regulowanej prędkości, w najbliższej przyszłości, będą obejmowały silnik z wbudowanym przemiennikiem .

Układy łagodnego rozruchu silników asynchronicznych.

do góry Pracujący silnik prądu przemiennego z podłączonym na stałe obciążeniem, bez urządzenia do łagodnego rozruchu, pobiera podczas rozruchu prąd o ustalonej wartości - zazwyczaj 5 lub więcej razy przewyższający wartość prądu przy pełnym obciążeniu. Urządzenia łagodnego rozruchu służą do obniżenia tego prądu w silnikach indukcyjnych. Urządzenie Softstart pozwala użytkownikowi na sterowanie wartością prądu rozruchu silnika elektrycznego praktycznie od wartości minimalnej, wymaganej przy rozruchu, oraz na utrzymywanie prądu rozruchu na takim poziomie jaki jest najbardziej odpowiedni dla warunków rozruchu i przyłączonego do silnika obciążenia. Dzięki takiemu działaniu urządzenia możliwa jest też regulacja przepływu energii potrzebnej do osiągnięcia przez silnik nominalnej prędkości roboczej oraz obniżenie do minimum obciążenia mechanicznego układu napędowego. Łagodny rozruch urządzeń przemysłowych napędzanych silnikami indukcyjnymi daje również wymiernej oszczędności w zużyciu energii elektrycznej. Softstart zabezpiecza silniki indukcyjne i przekładnie mechaniczne przed obciążeniami udarowymi, które są przyczyną skrócenia czasu eksploatacji elementów układu oraz podwyższają koszty eksploatacji i utrzymania. W układach hydraulicznych eliminuje nadmierne skoki ciśnienia.

Metody regulacji prędkości obrotowej maszyny indukcyjnej.

do góry Regulacja prędkości silnika indukcyjnego przez zmianę rezystancji wirnika. Metoda regulacji oporowej polega na dołączeniu dodatkowych rezystancji do obwodu wirnika. Metoda ta zapewnia duży moment rozruchowy, zaś jej wadami są mała sztywność charakterystyk mechanicznych i, przede wszystkim, niska sprawność wynikająca z dużych strat energii na regulację oraz, przy dużej mocy, kłopotliwe w wykonaniu i eksploatacji opornice wielkich mocy. W podstawowej wersji metoda ta nie zapewnia ponadto regulacji ciągłej, gdyż opory regulacyjne załączane są sekcjami (stopniami). Niedogodność ta może być wyeliminowana przez układy z regulacją dyskretną oporności w obwodzie wirnika. Prąd wirnika zostaje wyprostowany w pełno okresowym prostowniku diodowym i przepływa dalej przez rezystor, połączony z kluczem. Klucz K jest periodycznie otwierany (na czas to) i zamykany (na czas tz). Częstotliwość kluczowania fk = 1 /(to+tz) wynosi od kilkudziesięciu herców do kilku kiloherc?w. Regulacja prędkości silnika indukcyjnego przez zmianę napięcia zasilania stojana. Przy regulacji napięcia stojana zakres regulacji prędkości jest niewielki i dla stałego momentu obciążenia nie przekracza wartości poślizgu krytycznego Sk. Osiągnięciu użytecznego zakresu regulacji prędkości wymaga stosowania maszyn o dużej wartości poślizgu krytycznego, te zaś charakteryzują się niższą sprawnością. Osobny problem stanowi kwestia regulacji napięcia stojana. Rozwiązuje się go obecnie użyciem łączników tyrystorowych (przeciwrównoległych) lub symistorowych (dla niewielkiej mocy). Regulacja fazy zapłonu tych łączników pozwala na bezstopniową regulację napięcia stojana maszyny pomiędzy zerem a wartością nominalną, wiąże się z generacją znacznych harmonicznych, powodujących dodatkowe nagrzewanie maszyny. Możliwy jest układ, w którym końce uzwojeń stojana połączone są z wejściem mostka diodowego, którego wyjście jest zwierane kluczem K (tyrystor z układem komutacji wymuszonej, tranzystor mocy bipolarny, IGBT, MOSFET itp.). Przy odpowiednio wysokiej częstotliwości kluczowania współczynnikiem wypełnienia regulujemy napięcie na uzwojeniach stojana. Dla urządzeń napędzanych, charakteryzujących się małym momentem rozruchowym przy dużym momencie bezwładności na wale (zaliczyć tu można pompy, wentylatory, wirówki itp.) możliwy jest rozruch przez obniżenie napięcia. Analogicznie można przeprowadzić rozruch dla silników, które startują bez obciążenia. Obecnie buduje się więc układy zaworów , które sterowane w zamkniętym układzie regulacji, umożliwiają stabilizację prądu stojana w czasie rozruchu, zaś rozwijany przez maszynę moment rozruchowy, znacznie mniejszy od nominalnego, jest jednak wystarczający dla przeprowadzenia rozruchu. Układ zaworów do realizacji rozruchów maszyny indukcyjnej (SOFSTART). NAPĘDY Z REGULACJĄ PRĘDKOŚCI Podstawową, funkcją, regulowanego napędu jest kontrola przepływu energii z sieci do procesu. Energia jest dostarczana do procesu przez wał silnika. Stan wału opisują dwie zmienne fizyczne: moment i prędkość obrotowa. Aby regulować przepływ energii, należy je kontrolować. W praktyce kontrolowana jest tylko jedna z nich i mówimy wtedy o "regulacji momentu" lub "regulacji prędkości". Początkowo w regulowanych napędach wykorzystywane były silniki prądu stałego, ponieważ łatwo było w nich uzyskać wymaganą prędkość moment bez skomplikowanych elektronicznych układów sterujących. Rozwój regulowanych napędów z silnikami prądu przemiennego odbywał się pod wpływem chęci uzyskania wysokich parametrów silników prądu stałego, takich jak szybka odpowiedź na skok momentu czy dokładność prędkości przy użyciu tanich, nie wymagających konserwacji silników klatkowych prądu przemiennego. NAPĘDY PRĄDU PRZEMIENNEGO STEROWANE CZĘSTOTLIWOSCIĄ Z PWM CECHY UKŁADU: - zmiennymi sterowanymi są, napięcie i częstotliwość, - wyjściowy przebieg sinusoidalny wytwarzany jest przy pomocy modulatora, - napęd z otwartą pętlą, - wartość momentu wyznaczona przez obciążenie. Technika stosowana częstotliwościowego zasilania napędów AC używa jako zmiennych sterowanych wielkości występujących poza silnikiem: napięcia i częstotliwości. Oba sygnały są, dostarczane do modulatora, który wytwarza przebieg sinusoidalny dostarczany do uzwojenia stojana. Technika ta nosi nazwę modulacji szerokości impulsu (PWM) i wykorzystując fakt, że za siecią zasilającą znajduje się prostownik diodowy utrzymujący stałe napięcie w obwodzie pośrednim. Falownik steruje silnikiem za pomocą impulsów PWN4, kontrolując napięcie i częstotliwość podstawowej harmonicznej napięcia wyjściowego . Istotne jest to, że w technice tej nie jest konieczna pętla sprzężenia od położenia lub prędkości wału. Przy takim sterowaniu, bez pętli sprzężenia, mówimy o napędzie z otwartą pętlą Sterowanie częstotliwościowe. ZALETY: - niski koszt, - prostota - nie jest konieczne sprzężenie. Ponieważ nie jest potrzebne wyposażenie do pętli sprzężenia zwrotnego, technika ta zapewnia niski koszt i prostotę rozwiązania problemu ekonomicznego sterowania silnikiem indukcyjnym. Ten typ napędu jest używany tam, gdzie nie jest wymagana wysoka dokładność i precyzja, np. w wentylatorach i pompach. WADY: - nie jest kontrolowana orientacja pola, - pomijany jest stała silnika, - nie jest kontrolowany moment, - modulator wprowadza opóźnienie regulacji. Przy tej technice, nazywaną regulacją skalarną, mocno wykorzystuje się orientację pola. Głównymi zmiennymi silnika są, częstotliwość i napięcie dostarczane do uzwojenia stojana. Stan wirnika jest ignorowany, co oznacza, że nie jest dostarczany do układu regulacji sygnał prędkości lub położenia wału. Dlatego też moment nie może być regulowany z zadaną dokładnością. Ponadto w technice tej wykorzystywany jest modulator, który znacząco wydłuża czas reakcji napędu na zmiany sygnałów częstotliwości i napięcia .

---