Silniki indukcyjne

 

Silniki indukcyjne trójfazowe

Zasada działania

Trójfazowe uzwojenie stojana o liczbie par biegunów równej p, zasilane z sieci trójfa­zowej symetrycznej o częstotliwości f, wy­twarza wirujące pole magnetyczne kołowe.

Pole to, wiruje względem stojana z prędko­ścią kątową synchroniczną i przecina zwarte uzwojenie wirnika, indukując w nim prąd.

Wirujące pole „pociąga" za sobą uzwojenie wirnika, w którym płynie zaindukowany prąd.

Wirnik nie może uzyskać prędkości pola magnetycznego, gdyż wtedy nie prze­cinałoby ono uzwojenia wirnika, a tym sa­mym w wirniku nie indukowałby się prąd.

Różnicę między prędkością wirowania pola stojana a prędkością wirnika, odniesioną do prędkości wirowania pola stojana nazywa­my poślizgiem s.

Ze względu na to, że omawiany silnik działa na zasadzie indukcji magnetycznej, a jego wirnik obraca się z prędkością mniejszą od synchronicznej, pełna nazwa tego silnika brzmi: trójfazowy asynchroniczny silnik in­dukcyjny.

Podstawowe zależności dotyczą­ce tych silników podano w tabl. 17.5.

 

Podstawowe zależności dotyczące maszyn indukcyjnych

 

Wielkość

Wzór

Uwagi

Napięcie uzwojenia fazowego, V

Ufn = Un

 

połączenie w trójkąt

 

połączenie w gwiazdę
Prąd uzwojenia

fazowego, A

połączenie w trójkąt

Ifn = In

połączenie w gwiazdę
Moc znamionowa silnika, kW

---

 

Sprawność silnika, %

SDP - suma strat

Synchroniczna prędkość

obrotowa          kątowa

  l/min                  l/s

w = 2pn

p - liczba par biegunów

Poślizg

---

Moment obrotowy na wale, N-m

---

Częstotliwość sem induko­wanej w wirniku, Hz

---

 

Silnik pierścieniowy i klatkowy

 

Silniki pierścieniowe w żłobkach wirnika mają uzwojenie o liczbie faz i par biegunów takiej samej, jak uzwojenie stojana.

Koń­cówki uzwojenia wirnika, połączonego w gwiazdę, są przyłączone do pierścieni śliz­gowych wirnika i stąd poprzez szczotki wy­prowadzane do tabliczki zaciskowej silnika.

Umożliwia to włączenie w obwód uzwoje­nia wirnika rezystancji lub impedancji i wpływanie w ten sposób na własności ru­chowe silnika.

Włączenie rezystancji powo­duje w czasie rozruchu zmniejszenie prądu i zwiększenie momentu, natomiast podczas pracy silnika umożliwia regulację prędkości kątowej (rys. 17.10).

 

 
 
Rys. 17.10. Charakterystyki momentu silnika in­dukcyjnego pierścieniowego przy różnych rezy­stancjach regulacyjnych w obwodzie wirnika

 

W silniku klatkowym (zwartym) uzwojenie wirnika tworzą pręty (miedziane, aluminio­we, mosiężne lub brązowe) nieizolowane, połączone po obu stronach wirnika pierście­niami zwierającymi.

Uzwojenie to ma postać klatki.

W zależności od kształtu i liczby prętów (rys. 17.11) uzyskuje się wirniki o różnych rezystancjach i tym samym silniki o różnych charakterystykach mechanicz­nych (rys. 17.12).

 

 

Pole tekstowe: Rys. 17.11. Kształty żłobków wirników maszyn indukcyjnych: 
a), b) klatkowego zwykłego, 
c), d) głebokożłobkowego, 
e), f) dwuklatkowego

 

 

 

 

 

 
 
Rys. 17.12. Charakterystyki mechaniczne ma­szyn indukcyjnych klatkowych o różnym kształ­cie żłobków wirnika

 

 

Rozruch silników indukcyjnych

 

Prąd rozruchowy podczas bezpośredniego włączenia silnika do sieci może dochodzić do 9In, a moment rozruchowy może być mniejszy od momentu znamionowego.

 

Właściwości rozruchowe silników można zmienić przez:

• zmianę wartości napięcia zasilania stojana — tylko przy rozruchu lekkim (za po­mocą transformatora, autotransformatora bądź przełącznika gwiazda-trójkąt);

• włączenie rezystancji lub reaktancji w obwód stojana;

• włączenie rezystancji lub reaktancji w obwód wirnika;

• zmianę częstotliwości napięcia zasilają­cego uzwojenie stojana.

 

Sprawdzenie oznaczeń zacisków silnika indukcyjnego

 

Wyznaczenie początków i końców uzwojeń .fazowych stojana oraz sprawdzenie popra­wności oznaczeń zacisków tabliczki zaci­skowej można wykonać, posługując się akumulatorem   oraz   miliwoltomierzem magnetoelektrycznym — w miarę możliwości z zerem pośrodku. Akumulator włącza się w jedno, dowolnie wybrane, uzwojenie fazowe i oznacza się wstępnie początki i końce uz­wojeń (rys. 17.13). Jeżeli w chwili zamyka­nia wyłącznika miliwoltomierz włączony kolejno na zaciski pozostałych uzwojeń fa­zowych odchyli się w prawo, to końce uz­wojeń są oznaczone dobrze.

 

 
 
Rys. 17.13. Schemat połączeń akumulatora oraz miliwoltomierza podczas sprawdzania oznaczeń uzwojenia stojana silnika indukcyjnego

 

Tabliczkę zaciskową stojana silnika trójfa­zowego oraz sposób wykonywania połączeń jej zacisków przy łączeniu uzwojeń stojana w gwiazdę i trójkąt przedstawia rys. 17.14.

 

 
 
Rys. 17.14. Sposób przyłączenia uzwojeń fazo­wych silnika trójfazowego do zacisków tabliczki

(a) oraz sposób połączeń zacisków na tabliczce przy skojarzeniu uzwojenia stojana: w gwiazdę(b) i trójkąt (c)

 

 

 

 

 

Zmianę kierunku wirowania otrzymuje się przez zmianę kolejności faz napięcia sieci zasilającej silnik, zamieniając na tabliczce zaciskowej stojana lub tablicy zasilającej silnik dwa dowolne przewody.

 

Silniki indukcyjne jednofazowe

 

W jednofazowym uzwojeniu stojana, zasila­nym napięciem przemiennym wytwarza się pulsujące pole magnetyczne, które można rozłożyć na dwa pola kołowe, wirujące w kierunkach przeciwnych. Powstają od nich dwa momenty Mi i Mz, działające w kierun­kach przeciwnych. Moment wypadkowy jest sumą Mi i Mz (rys. 17.15). Taki silnik nie może ruszyć ze stanu spoczynku, gdyż elektromagnetyczny moment rozruchowy jest równy zeru.

 

 

 
 
Rys. 17.15.

Momenty silnika indukcyjnego jednofazowego

 

Uruchomienie silnika, w prawo lub lewo, może nastąpić po mechanicznym nadaniu mu początkowej prędkości.

 

Można też wytworzyć w silniku moment elektromagnetyczny różny od zera stosując:

• w stojanie dodatkowe uzwojenie rozru­chowe, przesunięte w przestrzeni wzglę­dem uzwojenia głównego o 90°, które przyłączamy na stałe lub tylko w okresie rozruchu, równolegle do uzwojenia robo­czego głównego, przez dowolny z ele­mentów RLC, przeważnie C (rys. 17.16a);

• w stojanie zwarte uzwojenie pomocnicze (zwarty pierścień miedziany), obejmują­cy mniejszą część nabiegunnika biegu nów stojana, na których jest nawinięte uzwojenie robocze (rys. 17.16b);

• stopniowaną szczelinę powietrzną pod każdym biegunem (rys. 17.16c),

• w wirniku dodatkowe uzwojenie przyłą­czane do komutatora o szczotkach zwar­tych stale lub tylko w okresie rozruchu (silnik rozwija dodatkowy moment, wy­nikający z zasady działania silnika repulsyjnego - rys. 17.16d).

 

Charakterystykę mechaniczną jednofazowe­go silnika z uzwojeniem pomocniczym, włączanym na czas rozruchu przedstawiono na rys. 17.17.

 
 
Rys. 17.16. Sposoby rozruchu maszyn indukcyj­nych jednofazowych;

a) pomocnicza faza rozru­chowa,

b) zwarte uzwojenie, obejmujące część nabiegunnika,

c) stopniowana szczelina powie­trzna,

d) uzwojenie dodatkowe w wirniku

 

1 — uzwojenie robocze, 2 — uzwojenie rozruchowe, 3 — klatka wirnika

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 
Rys. 17.17. Charakterystyka M = f(w) silnika in­dukcyjnego jednofazowego bez (1) i z uzwojeniem pomocniczym włączonym na okres rozruchu (2)

 

 

Wirujące pole magnetyczne można uzyskać również przy zasilaniu na­pięciem jednofazowym, silnika z trójfazowym uzwojeniem stojana, przez włączenie między uzwojenia dwóch faz silnika, rezystancji lub reaktancji (rys. 17.18).

 

 

 
 
Rys. 17.18. Schemat włączenia do sieci jednofazowej silnika z trójfazowym uzwojeniem stojana

Cp — kondensator pracy, cr — kondensator rozruchowy

 

Silniki indukcyjne dwufazowe

 

Silniki te mają w stojanie dwa uzwojenia (wzbudzenia i sterujące) o osiach przesunię­tych względem siebie o 90 stopni elektrycz­nych.

Na ogół są to maszyny klatkowe, przy czym najczęściej - w celu zmniejszenia momentu bezwładności - klatkę wirnika stanowi niemagnetyczny kubek, wykonany z aluminium.

Silniki z niemagnetycznym wirnikiem kubkowym noszą nazwę silni­ków Ferrarisa.

Prędkość kątową reguluje się przez regulację amplitudy lub przesunię­cia fazowego napięcia zasilającego uzwoje­nie sterujące względem napięcia zasilające­go uzwojenie wzbudzenia (rys. 17.19).

 

 

 

 

 
 
Rys. 17.19. Silnik indukcyjny dwufazowy:

a) przekrój osiowy maszyny kubkowej,

b) zasada sterowania amplitudowego,

c) zasada sterowania fazowego

 

1,2 - rdzeń stojana; 1 - zewnętrzny, 2 - wewnętrz­ny, 3- uzwojenie (puszka - kubek) wirnika, 4 - uz­wojenie stojana (wzbudzenia i sterujące), 5 – element przesuwający fazę

 

 

Silniki indukcyjne liniowe

 

W silniku liniowym następuje przemiana energii elektrycznej w energię ruchu postę­powego.

Silnik liniowy wywodzi się z prze­kształcenia silnika wirującego (rys. 17.20).

Przekształcenie to polega na przecięciu sto­jana i wirnika promieniowo od osi i rozwi­nięciu ich wraz z uzwojeniami.

Zasada działania takiego silnika jest analogiczna do za­sady działania silników indukcyjnych wiru­jących.

W żłobkach rdzenia części pierwot­nej (induktora) i części wtórnej (bieżnika) znajdują się uzwojenia (najczęściej trójfazo­we), przy czym w części wtórnej stosuje się na ogół uzwojenie klatkowe lub ferro­magnetyczną warstwę przewodzącą, speł­niającą rolę klatki.

Rozróżnia się silniki liniowe płaskie i tubo­we.

W silnikach tubowych pole magnetycz­ne w szczelinie ma układ promieniowy i wędruje w kierunku osiowym, a bieżnik i induktor są wykonane w postaci współosiowych cylindrów.

Silniki liniowe są stosowane w wielu dzie­dzinach techniki, m.in. w trakcji elektrycz­nej i transporcie.

 

 
 
Rys. 17.20. Przekształcenie silnika wirującego w liniowy:

a) silnik wirujący,

b) silnik liniowy pła­ski,

c) silnik liniowy tubowy

1 - stojan, 2 - uzwojenie, 3 - wirnik, 4 - bieżnik,

5 - induktor, 6 - uzwojenie induktora