1
14. AUTOMATYCZNY ROZRUCH GWIAZDA TRÓJK
T SILNIKA
INDUKCYJNEGO
Wiadomości wstępne
Bezpośrednie włączenie do sieci silnika klatkowego powoduje chwilowy początkowy przepływ prądu
wynoszący od 3 do 7 krotnej wartości prądu znamionowego silnika. Tak duży prąd rozruchowy
ma niekorzystny wpływ nie tylko na sam silnik, ale również na pracę innych odbiorników dołączonych do
sieci i samą sieć zasilającą. Zastosowanie przełączania uzwojeń silnika z gwiazdy w trójkąt umożliwia
znaczne, bo trzykrotne zmniejszenie jego prądu rozruchowego. Wynika stąd, że stosowane przy takim
rozruchu silniki klatkowe powinny mieć w czasie pracy uzwojenia połączone w trójkąt. Przełączając
uzwojenia takiego silnika w gwiazdę można dołączyć go do sieci o napięciu 3 razy większym od napięcia
roboczego odpowiadającego połączeniu w trójkąt. Aby taki rozruch mógł być zastosowany potrzebny jest
silnik, którego napięcie znamionowe wynosi 380V w układzie połączeń w trójkąt. Silniki przystosowane do
takiego rozruchu mają podane na tabliczce napięcie znamionowe /"-660/380V; na silnikach nowszych
konstrukcji pisze się tylko "-380V. Drugim warunkiem stosowania tego typu rozruchu jest wyprowadzenie
sześciu końcówek faz silnika, tj. początków i końców każdej z faz. Ponadto w czasie rozruchu moment
oporowy maszyny roboczej nie powinien przekraczać 30-35% momentu znamionowego silnika. Ponieważ
prąd i moment silnika maleje przy obniżonym napięciu zgodnie z równaniami:
2
2 2
U U
�# ś# �# ś#
2 2
I = I M =
ś# ź# ś# ź#
r r r
U U
�# # �# #
gdzie:
2 2 2
Ir i M - prąd i moment silnika przy obniżonym napięciu U
r
to dla połączenia w gwiazdę i trójkąt można przedstawić zależności w tabeli 14.1. Z powyższych zależności
wynika, że prąd pobierany z sieci zasilającej przy tym sposobie rozruchu maleje trzykrotnie; maleje również
trzykrotnie moment rozruchowy - co jest wadą tego sposobu rozruchu.
Tabela 14.1.
Skojarzenie uzwojeń Skojarzenie uzwojeń
w gwiazdę w trójkąt
1
Napięcie
Uf = Up Uf = Up
fazowe
3
1
Moment
M = /3M"
1 1
If = Ip If = If" If = Ip
Prąd fazowy
3 3
Prąd 1
Ip = /3Ip"
przewodowy
Przebieg prądu płynącego przez silnik indukcyjny oraz momentu obrotowego silnika w funkcji prędkości
obrotowej podczas rozruchu przedstawiono na rysunku 14.1.
gdzie:
nk - prędkość występująca przy momencie krytycznym
nk = (0,8 - 0,9)nN
nN - znamionowa prędkość obrotowa
n0 -prędkość obrotowa biegu jałowego
ns - prędkość synchroniczna
2
I,M
I
Mk
Mr M
I
Mn
A
M
nn
nk ns
n
0
Rys. 14.1. Charakterystyki momentów napędowego i oporowego oraz prądów przy rozruchu gwiazda  trójkąt
Grubą linią zaznaczony jest przebieg prądu podczas przełączania. Zaznaczony moment przełączenia
przedstawia minimalny czas, dla którego nastąpi ograniczenie prądu rozruchowego. W praktyce przełączenie
odbywa się po ustaleniu prędkości obrotowej dla połączenia w gwiazdę, tzn. przy zrównaniu momentu
napędowego i oporowego (pt. A charakterystyki, rys. 14.1).
Spośród wielu różnych sposobów rozruchu silnika klatkowego za pomącą przełączania uzwojeń
z gwiazdy w trójkąt, dwa są najczęściej stosowane. Jeden  to rozruch w funkcji czasu, drugi  w funkcji
prądu. Można dokonywać również rozruchu w funkcji prędkości obrotowej. Rozruch w funkcji czasu polega
na tym, że przełączenie uzwojeń z połączenia w gwiazdę w trójkąt dokonywane jest za pomocą przekaz
nika
czasowego, po określonym czasie od chwili załączenia silnika do sieci - rozruch w funkcji prądu polega na
przełączeniu za pomocą przekaz
nika prądowego, gdy prąd rozruchu zmniejszy się poniżej określonej
wartości. Każdy z tych dwu sposobów ma wady i zalety. Przy rozruchu w funkcji prądu silnik jest
dostatecznie zabezpieczony przed nadmiernym wzrostem prądu, lecz może wystąpić niekorzystne zjawisko,
tzw.  utknięcia silnika (np. przy niespodziewanym obciążeniu silnika przed rozruchem znacznym
momentem oporowym) w układzie skojarzenia uzwojeń w gwiazdę. Przy stosowaniu rozruchu w funkcji
czasu wymagane jest dokładne dobranie zabezpieczeń silnika, oraz sieci zasilającej przed ewentualnymi
przeciążeniami.
Tabela 14.1. Symbole graficzne wybranych aparatów elektrycznych
1
Bezpiecznik
1
Cewka stycznika, przekaz
nika
1
Zestyki główne stycznika
Zestyk pomocniczy rozwierny stycznika,
1
przekaz
nika
Zestyk pomocniczy zwierny stycznika,
1
przekaz
nika
1
Zestyk rozwierny łącznika z napędem
ręcznym i samoczynnym powrotem
1
Zestyk zwierny łącznika z napędem
ręcznym i samoczynnym powrotem
2
Zabezpieczenie termiczne silnika
Zestyk rozwierny zabezpieczenia
termicznego
2
x
Zacisk
W tabeli 14.1. przedstawiono symbole graficzne przekaz
ników i łączników zastosowanych w układach
rozruchu silników indukcyjnych. Na rysunkach 14.2 i 14.3 przedstawiono układ do rozruchu gwiazda-trójkąt
y
w
r
o
o
p
o
t
n
e
m
o
M
3
w funkcji czasu w którym wykorzystano moduł programowalny. Schemat został przedstawiony w typowym
standardzie numeracji elementów i został rozdzielony na obwody mocy i sterowania. Poszczególne elementy
danego aparatu elektrycznego posiadają takie samo oznaczenie. Przykładowo cewka, zestyki główne
i zestyki pomocnicze jednego stycznika mają oznaczenie K1. Poszczególne elementy aparatu posiadają
dodatkowo skojarzenie typu  master slave . Oznacza to w praktyce, że cewka posiada adres zestyków,
a każdy z zestyków adres cewki. Taki rodzaj dokumentacji elektrycznej ułatwia zrozumienie logiki układu
oraz wyszukiwanie jego poszczególnych elementów.
Na schematach elektrycznych symbole odwzorowują położenia zestyków aparatów w stanie
niewzbudzonym. Wzbudzenie (zadziałanie) aparatu powoduje zmianę położenia jego zestyków.
AB C D E F
1
2
3
4
5
ILOŚĆ RYSUNKÓW
W PROJEKCIE 2
Rozruch silnika indukcyjnego NUMER
OBWODY MOCY
RYSUNKU 01
Rys. 14.2. Schemat obwodów mocy do rozruchu gwiazda  trójkąt silnika indukcyjnego
ABC DE F
1
2
3
4
5
ILOŚĆ RYSUNKÓW
W PROJEKCIE 2
Rozruch silnika indukcyjnego NUMER
OBWODY STEROWANIA
RYSUNKU 02
Rys. 14.3. Schemat obwodów sterowania do rozruchu gwiazda  trójkąt silnika indukcyjnego
4
Opis działania układu sterowania rozruchem gwiazda  trójkąt silnika indukcyjnego
Po wciśnięciu łącznika S1 następuje zadziałanie przekaz
ników Q1 i Q3 modułu programowalnego, co
powoduje podanie napięcia na cewki styczników K1 oraz K3. Rozwierają się zestyki rozwierne styczników
K1 i K3 a następnie zwierają zestyki mocy tych styczników Powoduje to podanie napięcia do układu
i skojarzenie uzwojeń silnika w gwiazdę. Zestyk rozwierny stycznika K1 stanowi blokadę przed
jednoczesnym załączeniem styczników K1 i K2 (uniemożliwia równoczesne załączenie prawego i lewego
kierunku wirowania wirnika). Podobnie zestyki rozwierne styczników K3 i K4 zostały włączone w celu
uniemożliwienia jednoczesnego skojarzenia uzwojeń stojana w gwiazdę i w trójkąt.
Prawy
Załącz
kierunek
B01
prawy
I1
wirowania
kierunek
wirowania
Q1
B03
Q2
B02
x
Lewy
T=6s
kierunek
Załącz
B06
wirowania
lewy I2
kierunek
Q2
wirowania
B10
B07
B04
I1
I2
x Skojarzenie
x
uzwojeń
B09
B11
w gwiazdę
B08
Q3
Q1
x
Skojarzenie
T=4s
B12
uzwojeń
T=6s w trójkąt
Wyłącz
B05
I3
Q4
I4
Zabezp.
Termiczne
x
T=0,1s
Rys. 14.4. Program do rozruchu gwiazda  trójkąt silnika indukcyjnego
Po określonym czasie (dobranym odpowiednio do warunków rozruchu) następuje rozłączenie
przekaz
nika Q3 modułu, co w efekcie powoduje podanie napięcia na cewkę stycznika K3, rozwarcie jego
zestyków mocy i zwarcie zestyku rozwiernego. Po zwłoce czasowej (ok. 0,1 s) następuje załączenie
przekaz
nika Q4 modułu, zadziałanie cewki przekaz
nika K4, rozwarcie jego zestyku rozwiernego i zwarcie
zestyków mocy. Układ zostaje przełączony do pracy w trójkącie. Zwłoka czasowa pomiędzy rozłączeniem
gwiazdy a załączeniem trójkąta jest konieczna dla uniknięcia zwarć przy przełączaniu styczników. Podobnie
zachowuje się układ po wciśnięciu przycisku S2 z tym, że zostaje załączony stycznik K2 (lewe obroty).
Wciśnięcie przycisku S3 (lub zadziałanie przekaz
nika termicznego) powoduje rozłączenie układu. Moduł
programowalny zastępuje w tym układzie działanie przekaz
nika czasowego, ale daje większe możliwości
w układzie automatyki. Dla przykładu program przedstawiony na rys. 14.4. został tak skonfigurowany, aby
zmiana kierunku obrotów była możliwa dopiero po wyłączeniu silnika. Niewielkie zmiany w programie, bez
jakichkolwiek zmian w układzie elektrycznym umożliwiają zmianę kierunku wirowania silnika bez jego
wyłączania (zachowany zostaje tryb rozruchu gwiazda  trójkąt). W oparciu o ten sam układ automatyki
może być realizowane (po zmianie programu) hamowanie przeciwprądem silnika indukcyjnego.
5
Tabela 14.2. Opis bloków modułu logicznego
Reprezentacja
Reprezentacja
Tablica logiczna
Nazwa
graficzna symbolu
schematyczna
stanów
I2 Q
I1 I3
1 1 1
AND 1
Dla innych
(iloczyn logiczny)
0
stanów wejść
I1 I2 Q
1 1
0
XOR
0 1 1
(różnica symetryczna)
Dla innych
0
stanów wejść
Q
I1
NOT
1
0
(negacja)
1
0
I2 Q
I1 I3
OR
0 0 0 0
0
(suma logiczna)
Dla innych
1
stanów wejść
Q
I1 I2 I3
NAND 1 1 1 0
Dla innych
(negacja iloczynu)
1
stanów wejść
Trg
On-delay
Q
(opóz
nione załączenie)
T
Trg
Off-delay
Q
(opóz
nione wyłączenie)
T
S R Q
R
Latching relay 0 0
Bez zmian
S
K1
0
(przekaz
nik zatrzaskowye) 1 0 Kasuj
K1
1 0 1 Ustaw
1 1 0
Zastosowany moduł programowalny to uniwersalny moduł logiczny posiadający 6 wejść cyfrowych
oraz 4 wyjścia cyfrowe. Moduł czyta stany wejść I1 do I6 a następnie uaktualnia wybrane stany wyjść
zgodnie z wprowadzonym programem. Załącza lub wyłącza zestyki Q1 do Q4. Wejścia i wyjścia modułu
logicznego mogą być w stanie  0 lub  1 .  0 znaczy, że na wejściu brak jest napięcia;  1 oznacza, że na
wejście napięcie zostało podane.  0 na wyjściu oznacza, że zestyk jest w stanie rozwartym,  1 , że zestyk
jest w stanie zwartym. Poszczególne bloki logiczne posiadają na wyjściu stan  0 lub  1 w zależności od
stanu ich wejść. Opis stanów bloków logicznych i ich interpretacja graficzna w module programowalnym
został przedstawiony w tabeli 14.2.
Programowanie modułu logicznego
Przez programowanie rozumiemy odwzorowanie logiki połączeń układu sterowania w pamięci modułu.
Programowanie polega na wyborze bloków logicznych, lub funkcji specjalnych i przyporządkowaniu ich
w chemacie drabinkowym. Wyboru dokonujemy z następujących podkatalogów:
" Funkcje  co  I1; I2; I3; I4; I5; I6; Q1; Q2; Q3; Q4; lo(stan niski-0); hi (stan wysoki-1)
" Funkcje główne  GF AND; NAND; OR; NOT, XOR
" Funkcje specjalne  SF opóz
nione załączenie; opóz
nione wyłączenie; przekaz
nik zatrzaskowy
" Bloki  BN dołączenie wejścia do istniejącego bloku
Podczas wprowadzania programu obowiązują następujące reguły:
Strukturę logiczną programu zaleca się wprowadzać od wyjścia Qn do wejścia In. Za pomocą przycisków
 < > przesuwać kursor po blokach programowych. Przycisnąć klawisz  OK dla wyboru połączenia lub
bloku. Przycisnąć klawisz  ESC dla rezygnacji z wykonanej operacji. Symbol  x oznacza, że wejście nie
jest używane. Jednoczesne wciśnięcie przycisków  < > OK umożliwia edycję programu. Jednoczesne
wciśnięcie przycisków  OK ESC umożliwia zmianę parametrów poszczególnych bloków. Po
wprowadzeniu programu należy go zatwierdzić przez naciśnięcie klawisza  ESC . Jeżeli program nie został
wprowadzony w całości elementy do uzupełnienia ukażą się ze znakiem  ?
6
6.1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z układem automatycznego rozruchu silnika klatkowego
z przełączaniem jego uzwojeń z gwiazdy w trójkąt, zaobserwowanie zjawisk występujących przy
przełączaniu układu, zapoznanie się z zasadą pracy i programowania modułu logicznego, oraz zapoznanie się
z typowym rodzajem dokumentacji elektrycznej.
6.2. Przebieg ćwiczenia
6.2.1. Zapoznanie się z aparaturą
Przed rozpoczęciem ćwiczenia należy zapoznać się z charakterystycznymi danymi silnika i aparatury
przeznaczonej do wykonania ćwiczenia (rodzaje aparatów, napięcia, prądy znamionowe).
6.2.2. Wprowadzenie programu do modułu logicznego.
Zaprogramować moduł, wg programu na rysunku 14.5. zwracając szczególną uwagę na wpisanie
odpowiednich czasów w blokach opóz
nionego załączenia i wyłączenia.
6.2.3. Zmontowanie i uruchomienie układu
Zmontować układ w taki sposób, aby najpierw dokonać sprawdzenia poprawności działania samego
obwodu sterowania. Należy przeprowadzić kilkakrotne uruchomienie układu zmieniając każdorazowo
w bloku B11 programu ( rys. 14.5.) chwilę przełączenia silnika z gwiazdy w trójkąt. Po stwierdzeniu
prawidłowej kolejności zamykania i otwierania się poszczególnych zestyków można uruchomić również
obwody mocy.
6.2.4. Rejestrowanie przebiegów prądów i napięć silnika
Dla trzech rożnych czasów przełączania zarejestrować przebiegi prądu przewodowego pobieranego przez
silnik oraz napięć używając oscyloskopu z pamięcią. Przebiegi należy zarejestrować dla dwóch różnych
momentów obciążenia M2=0,2MN i M2=0,4MN, oraz dla biegu jałowego Należy porównać przebiegi
oscyloskopowe ze wskazaniami mierników analogowych, oraz zwrócić uwagę na zjawiska towarzyszące
przełączaniu styczników.
6.3. Sprawozdanie.
Sprawozdanie powinno zawierać:
" dane znamionowe układu napędowego,
" charakterystyki prądów i napięć przy połączeniu w gwiazdę i w trójkąt,
" analizę przebiegów oscyloskopowych,
" analizę i dobór czasów rozruchu silnika dokonaną na podstawie przebiegów oscyloskopowych,
" wnioski i spostrzeżenia.