Wykład VIII

Silniki indukcyjne - wiadomości ogólne

Klasyfikacja

Budowa silnika

Zasada działania

Charakterystyki

Rozruch

Regulacja prędkości obrotowej

Zmiana kierunku wirowania

Silniki indukcyjne - wiadomości ogólne

• Do maszyn indukcyjnych należy duża grupa maszyn o różniących się konstrukcjach przeznaczonych do wypełniania różnorodnych działań.

• Trójfazowe silniki indukcyjne są najbardziej rozpowszechnione, ponieważ mają prostą budowę, są łatwe w obsłudze, tanie w wykonaniu i eksploatacji, ich właściwości napędowe są dobre. Znajdują one zastosowanie jako silnik ogólnego przeznaczenia, silniki specjalne, ale również jako przetwornice częstotliwości, regulatory napięcia, hamulce indukcyjne czy przesuwniki fazowe.

• Silniki indukcyjne mogą być zbudowane jako jednofazowe - służą wówczas do napędu odbiorników gospodarstwa domowego lub dwufazowe wykorzystywane w urządzeniach automatyki.

• Silniki indukcyjne liniowe wykorzystywane są w urządzeniach transportowych, gdyż część ruchoma tych silników porusz się po linii prostej.

Klasyfikacja silników indukcyjnych

P IE R Ś C IE N IO W E

JE D N O K L A TK O W E Z W Y K Ł EJE D N O K L A TK O W E G Ł Ę B O K O Ż Ł O B K O W ED W U K L A TK O W E

K L A TK O W E

L IN IO W E

TR Ó JF A Z O W E

JE D N O K L A TK O W E

K U B E Ł K O W E

D W U F A Z O W E

K L A TK O W E

JE D N O F A Z O W E

S IL N IK I IN D U K C Y JN E

Budowa silnika indukcyjnego

Rys. 1. Silnik indukcyjny: a) widok obudowy; b) widok układu

Rys. 2. Silnik indukcyjny - przekrój

Schemat silnika indukcyjnego

• Silnik indukcyjny składa się z dwóch zasadniczych części: nieruchomego stojana i ruchomego (wirującego) wirnika.

• Na wewnętrznej stronie rdzenia stojana i zewnętrznej stronie rdzenia wirnika wykonuje się specjalne rowki, zwane żłobkami, w których umieszczane są uzwojenia. Część rdzenia pomiędzy sąsiednimi rowkami, nazywana jest zębem. Żłobki i zęby mogą posiadać różne kształty, zwykle ich liczba w stojanie i wirniku jest różna. Pomiędzy stojanem a wirnikiem znajduje się możliwie mała szczelina powietrzna.

Rys. 3. Silnik indukcyjny

• Uzwojenie stojana wykonane jest z izolowanego drutu, zaimpregnowane i mocno usztywnione, tak, aby zmniejszyć prawdopodobieństwo uszkodzenia na skutek drgań mechanicznych

• Ze względu na sposób wykonania wirnika rozróżnia się dwa rodzaje silników indukcyjnych: klatkowe i pierścieniowe.

• W silniku pierścieniowym uzwojenie wirnika wykonane jest podobnie do uzwojenia stojana. Jest ono na stałe połączone z pierścieniami ślizgowymi (stąd nazwa “silnik pierścieniowy”), zwykle trzema, gdyż uzwojenie wirnika najczęściej jest 3-fazowe. Za pośrednictwem przylegających do pierścieni szczotek, uzwojenia wirnika połączone są z dodatkowymi elementami, zwiększającymi rezystancje każdej fazy. (zmianę rezystancji faz stosuje się dla rozruchu, hamowania i zmiany prędkości silnika). Obecnie ze względu na zbyt skomplikowana budowę konstrukcja ta jest raczej rzadko stosowana.

Rys. 3. Wirnik silnika pierścieniowego

• W silniku indukcyjnym klatkowym obwód elektryczny wirnika jest wykonany z nieizolowanych prętów, połączonych po obu stronach wirnika pierścieniami zwierającymi. Konstrukcja to wyglądem przypomina klatkę o kształcie walca (stąd wzięła się nazwa tego silnika).

• Obwód magnetyczny wirnika wykonany jest w postaci pakietu blach stalowych z dodatkiem krzemu, wzajemne odizolowanych, złożonych jedna na drugą.Obwód elektryczny wirnika jest zawsze zwarty (inna nazwa tego silnika to silnik indukcyjny zwarty) w związku, z czym nie ma możliwości przyłączania dodatkowych elementów, tak jak ma to miejsce w wirniku silnika pierścieniowego. Klatka stanowi wielofazowe uzwojenie wirnika, a za liczbę faz przyjmuje się liczbę prętów, z których jest wykonana

Rys. 4. Klatka silnika klatkowego

• Silnik klatkowy ma bardzo prostą, tanią, i łatwa w utrzymaniu konstrukcję. Wykonanie silnika pierścieniowego jest o wiele droższe, ale konstrukcja ta, poprzez możliwość dołączania dodatkowych elementów do uzwojenia wirnika posiada zdecydowanie bogatsze właściwości ruchowe. (układy umożliwiające rozruch i regulacje prędkości silnika) Biorąc jednak pod uwagę coraz większą powszechność elektronicznych urządzeń zasilających (falowniki), umożliwiających uzyskanie o wiele lepszych właściwości regulacyjnych, wspomniane zalety silników pierścieniowych przestały być juz tak istotne i w ogromnej większości silniki pierścieniowe zostały wyparte przez silniki klatkowe.

Rys. 5. wirnik silnika klatkowego

Budowa silnika trójfazowego klatkowego

tarcza łożyska

Wirnik klatkowy

uzwojenia stojanapierścień klatki

wał

kadłub

Rdzeń stojana

tarcza łożyska

BUDOWA SILNIKA

blachy stojana

szczelina powietrzna

blachy wirnika

OBWÓD MAGNETYCZNY

BUDOWA SILNIKA

uzwojenia stojana

opornik rozruchowy

uzwojenia wirnika

Pierścienie i szczotki

OBWODY ELEKTRYCZNE

BUDOWA SILNIKA

W silnikach pierścieniowych wirnik jest uzwojony trójfazowo. Uzwojenia te połączone są w gwiazdę, a końce gwiazdy wyprowadzone

są do pierścieni ślizgowych.

wał

uzwojenieblachy wirnikapierścienie ślizgowe

WIRNIK SILNIKA PIERŚCIENIOWEGO

BUDOWA SILNIKA

W silnikach klatkowych wirnik ma

uzwojenia w postaci prętów

zwartych na końcach.

WIRNIK SILNIKA KLATKOWEGO

sprzęgło

wał

Pręty klatki

pierścień klatki

RODZAJE WIRNIKÓW KLATKOWYCH

• jednoklatkowe - uzwojenie tworzy rodzaj klatki.

• dwuklatkowe - wirnik ma dwa uzwojenia zwarte w postaci dwóch klatek: wewnętrznej i zewnętrznej, składających się z jednakowej liczby prętów. Taka konstrukcja pozwala na uzyskanie większego momentu rozruchowego przy prądzie o mniejszym natężeniu

• głębokożłobkowe - klatka zbudowana jest z prętów w kształcie wąskich szyn sięgających w głąb wirnika, pozwala to na przebieg rozruchu jak w silniku dwuklatkowym.

BUDOWA SILNIKA

BUDOWA SILNIKA

• Silnik indukcyjny z jednym uzwojeniem stojana nie wytworzy początkowego momentu rozruchowego. Taki silnik ma w stojanie dwa uzwojenia o osiach przesuniętych w przestrzeni.

• Budowany jest w dwóch odmianach:1. z równomierna szczeliną powietrzną - dwufazowe uzwojenie stojana

jest wykonane jako rozłożone i umieszczone w żłobkach.2. z nierównomierną szczeliną powietrzną (biegunami jawnymi) -

uzwojenia stojana są one skupione. Jedno z nich, główne, nawinięte na rdzeniu bieguna jest zasilane z sieci. Drugie uzwojenie, pomocnicze, ma jeden lub dwa zwarte zwoje umieszczone na części dzielonego rdzenia bieguna

SILNIKI JEDNOFAZOWE

BUDOWA SILNIKA

SILNIK JEDNOFAZOWY O RÓWNOMIERNEJ SZCZELINIE POWIETRZNEJ

Wirnik klatkowy

stojan

Rozłożone uzwojeniastojana

BUDOWA SILNIKA

SILNIK JEDNOFAZOWY Z UZWOJENIEM POMOCNICZYM ZWARTYM

stojanz uzwojeniem

głównym

wirnik

biegun uzwojenia

pomocniczego

uzwojeniepomocnicze

rdzeń stojana

wał

BUDOWA SILNIKA

wirnik

półnabiegunnik

Uzwojeniegłówne

OBWÓD MAGNETYCZNY SILNIKA JEDNOFAZOWEGO

Zwój zwarty

Rdzeń stojana

BUDOWA SILNIKA

OBWÓD ELEKTRYCZNY SILNIKA JEDNOFAZOWEGO

kondensatorrozruchowy

wirnik

uzwojeniegłówne

uzwojeniepomocnicze

BUDOWA SILNIKA

• Silnik indukcyjny składa się z dwóch zasadniczych części: nieruchomego stojana i ruchomego (wirującego) wirnika.Silniki dwufazowe mają dwufazowe uzwojenie stojana i równomierną szczelinę powietrzną. Zwykle uzwojenia stojana są jednakowe i przesunięte o kąt elektryczny 900.

• Wirniki silników dwufazowych mogą być : 1. jednoklatkowe - wykonane podobnie jak w silnikach trójfazowych,2. kubelkowe - aluminiowe cienkościenne uzwojenie w kształcie kubka,

w którego wnętrzu, dla zmniejszenia prądu magnesującego jest umieszczony rdzeń zwiększający opór magnetyczny

SILNIK INDUKCYJNY DWUFAZOWY

BUDOWA SILNIKA

SILNIK DWUFAZOWY KUBEŁKOWY

kubek wirnika

uzwojenia stojana

Rdzeń stojanardzeń wewnętrzny

BUDOWA SILNIKA

• Silniki indukcyjne liniowe najczęściej budowane są jako trójfazowe. Wyróżnia

się w nich obwód pierwotny (wzbudnik) oraz obwód wtórny (biegnik).

Wzbudnik może być umieszczony nad lub pod biegnikiem. Silnik może być

tak skonstruowany, że biegnik jest umieszczony pomiędzy dwoma

wzbudnikami. Na ogół wzbudnik z uzwojeniem jest nieruchomy. Biegnikiem

zwykle jest taśma lub wąska płyta aluminiowa przesuwająca się na rolkach lub

łożyskach.

SILNIK INDUKCYJNY LINIOWY

BUDOWA SILNIKA

SILNIK LINIOWY Z DWUSTRONNYM WZBUDNIKIEM

wzbudnik

biegnik

uzwojenia

ZASADA DZIAŁANIA

POLE WIRUJĄCE

• Pole wirnika wiruje względem stojana z prędkością synchroniczną, czyli jest

nieruchome względem pola stojana niezależnie od prędkości obrotowej

maszyny. 

• Pola magnetyczne stojana i wirnika tworzą jedno wspólne pole, które indukują

w stojanie i w wirniku siły elektromotoryczne.

• Każde uzwojenie, przez które płynie prąd przemienny, wytwarza wokół siebie

zmienne pole magnetyczne. Trzy zmienne pola magnetyczne nakładają się na

siebie, dając pole wypadkowe zmienne.

ZASADA DZIAŁANIA

t=0 t=1/12T t=1/6T t=1/4T t=1/3T

t=1/2T t=2/3T

POŁOŻENIE OSI WYPADKOWEGO POLA STOJANA ZASILANEGO TRÓJFAZOWO

ZASADA DZIAŁANIA

POLE WIRUJĄCE STOJANA

oś pola wypadkowego

ZASADA DZIAŁANIA

• Wirujące pole magnetyczne wywołane przez stojan, przecina przewody nieruchomego w pierwszej chwili wirnika i indukujew nich siły elektromotoryczne. Pod wpływem tych sił w zamkniętym obwodzie wirnika płynie prąd w wyniku którego w wirniku wytwarza moment obrotowy powodujący podążanie przewodów wirnika w kierunku wirowania pola. Wirnik zaczyna się obracać. Z upływem czasu prędkość obrotowa wirnika zwiększa się, lecz równocześnie zmniejsza się prędkość przecinania jego przewodów przez pole wirujące. Zmniejsza się wtedy wartość momentu w porównaniu z tym, jaki działał na nieruchomy wirnik. W rezultacie ustala się prędkość obrotowa wirnika. Jest ona mniejsza od prędkości pola wirującego stojana.

ZASADA DZIAŁANIA

Wypadkowe pole wirnika

Wypadkowe polestojana

ZASADA DZIAŁANIA

• Różnica między prędkością pola wirującego (synchroniczną) ns, a prędkością wirnika n podzielona przez ns, nazywa się poślizgiem

s

s

n

nns

S - poślizg, ns - prędkość synchroniczna, n - prędkość wirnika

ZASADA DZIAŁANIA

• Warunek istnienia poślizgu musi być spełniony, gdyż:

1. przewody nie byłyby przecinane przez linie pola,

2. siła elektromotoryczna zmalałaby do zera,

3. nie wytworzyłoby się pole wokół uzwojeń wirnika,

4. nie powstałby moment obrotowy.

ZASADA DZIAŁANIA

Równanie ruchu elektromechanicznego

M= Md+Mm

M - moment elektromagnetyczny; Md - moment dynamiczny ;Mm -moment mechaniczny; Mobc -moment obciążenia; Mo -moment strat własnych; J - moment bezwładności układu wirującego; -zmiana prędkości wirnika w czasie dt.

dt

td m

Md=J ;Mm=Mobc+Mo

dt

td m

ZASADA DZIAŁANIA

Wirnik silnika będzie wprawiony w ruch obrotowy jeśli:

istnieje pole wirujące stojana,

uzwojenia wirnika są zwarte,

moment elektromagnetyczny silnika jest większy od momentu

mechanicznego i momentu bezwładności.

ZASADA DZIAŁANIA SILNIKA

• Prąd w uzwojeniu pomocniczym, opóźniony w stosunku do prądu uzwojenia głównego, umożliwia powstanie eliptycznego pola wirującego, w każdych warunkach pracy silnika.

• W silniku z uzwojeniem dwufazowym jedno z uzwojeń (główne) jest umieszczone w 2/3 żłobków stojana, natomiast drugie uzwojenie (pomocnicze) w pozostałych żłobkach. Osie uzwojeń są przesunięte o kąt 900. Oba uzwojenia są zasilane tym samym napięciem fazowym.

• Przesunięcie fazowe potrzebne do wytworzenia momentu rozruchowego uzyskuje się przez :1. wykonanie uzwojenia pomocniczego o powiększonej rezystancji

(uzwojenie to może pracować tylko w czasie rozruchu)2. włączenia w obwód uzwojenia pomocniczego kondensatora (może

pracować w czasie rozruchu ale również współpracować z uzwojeniem głównym).

JEDNOFAZOWEGO

ZASADA DZIAŁANIA SILNIKA

• Podobnie jak w silniku jednofazowym uzwojenia stojana silnika dwufazowego wytwarzają pole eliptyczne. Indukuje ono w zwartym uzwojeniu wirnika siłę elektromotoryczną. Oddziaływanie pola wirnika i stojana wprawia w ruch silnik .

• Silniki dwufazowe można zasilać ze źródła jednofazowego, wówczas w obwód jednej z faz, podobnie jak w silniku jednofazowym, należy włączyć kondensator. Różnicą między silnikiem jedno - i dwufazowym jest możliwość regulacji prędkości w tym drugim.

DWUFAZOWEGO

ZASADA DZIAŁANIA SILNIKA

• Silnik indukcyjny liniowy działa na takiej samej zasadzie jak silnik indukcyjny o ruchu obrotowym z wirnikiem klatkowym. Pole elektromagnetyczne wytworzone przez prądy płynące w uzwojeniuwzbudnika przemieszcza się wzdłuż biegnika z prędkością liniową

• zależną od częstotliwości napięcia zasilającego oraz ilości biegunów

• pola. Pod wpływem przemieszczającego się pola, w biegniku

• indukuje się siła elektromotoryczna. Prądy w biegniku wytwarzają

• siłę elektrodynamiczną powodującą ruch biegnika.

LINIOWEGO

CHARAKTERYSTYKI• Właściwości ruchowe silników przedstawia

się zazwyczaj w postaci: charakterystyki

mechanicznej charakterystyki

roboczej.

• Charakterystyka mechaniczna to zależność momentu obrotowego silnika M od prędkości obrotowej n.

• Zakres pracy silnika od biegu jałowego aż do obciążenia znamionowego znajduje się na części charakterystyki zawartej między prędkością synchroniczną nS a znamionową nN.

M

nnk nNnS

Mmax

MNMr

Mr -moment rozruchowy

Mmax-moment maksymalny

MN- moment znamionowy

nk- prędkość krytyczna

nN - prędkość znamionowa

nS- prędkość synchroniczna

• Przy małym obciążeniu silnik pobiera dość znaczny prąd, a sprawnośći współczynnik mocy silnika są niewielkie ( przy biegu jałowym I0 wynosi 25-50% IN, a cosf0 maleje z 0,85 do ok. 0,1).

• Charakterystyki robocze to zależność1. prędkości obrotowej n, 2. sprawności h, 3. momentu obrotowego M, 4. poślizgu s, 5. prądu pobieranego przez silnik I, 6. współczynnika mocy cos f od

mocy oddawanej na wale silnika P2.

• Charakterystyki te wyznacza się przy warunkach znamionowych zasilania.

cos

n

s

n,cos,,I,M,s

P2PN

ROZRUCH SILNIKA INDUKCYJNEGO

• Rozruch silników klatkowych i pierścieniowych trwający od chwili

przyłączenia obwodu stojana do sieci zasilającej do chwili osiągnięcia przez

wirnik ustalonej prędkości obrotowej, przebiega w odmienny sposób.

1. Rozruch za pomocą rozrusznika

2. Rozruch za pomocą przełącznika gwiazda-trójkąt

3. Rozruch za pomocą autotransformatora

4. Rozruch za pomocą dławika włączonego w obwód stojana

5. Rozruch za pomocą rezystancji włączonej w obwód stojana

• Rozruch bezpośredni polega na przyłączeniu uzwojeń stojana do sieci zasilającej bez urządzeń obniżających napięcie. Prąd pobierany podczas takiego rozruchu jest kilkakrotnie większy od znamionowego, a czas jego trwania zależy od momentu obciążenia i momentu znamionowego (Mobc/MN>1- kilkanaście do kilkudziesięciu sekund).

• Rozruch za pomocą gwiazda - trójkąt polega na połączeniu uzwojeń stojana w gwiazdę przed włączeniem silnika. Przez to zmniejsza się napięcie zasilające razy, a tym samym moment rozruchowy i prąd pobierany z sieci są 3 raz mniejszy. Przed ukończeniem rozruchu silnik należy przełączyć w trójkąt, aby pracował w swoich warunkach normalnych (rozruch taki jest możliwy, gdy silnik rusza nieobciążony lub obciążony bardzo małym momentem.

ROZRUCH SILNIKA KLATKOWEGO

nnSn

obc

• Przebieg momentu obrotowego i prądu podczas rozruchu silnika klatkowego za pomocą przełącznika gwiazda – trójkąt

M

U1V1

U2 V2

W1

W2

Schemat przyłączenia silnika z przełącznikiem trójkąt - gwiazda

M - moment obrotowy i I - prąd stojana przy połączeniu w trójkąt, M - moment obrotowy i I - prąd stojana przy połączeniu w gwiazdę, Mobc -moment obciążenia

• Rozruch za pomocą rozrusznika stojanowego polega na włączeniu w

obwód stojana opornika o zmiennej rezystancji. Podobnie jak w przypadku

przełącznika gwiazda - trójkąt zarówno moment jaki prąd początkowy mają

małą wartość i może być stosowany.

• Rozruch za pomocą autotransformatora polega na zasilaniu silnika za

pośrednictwem autotransformatora obniżającego. Uruchamia się silnik

zwiększając napięcie od zera do największej wartości. Silnik rusza bez

obciążenia lub przy małej jego wartości.

• Najczęściej przeprowadza się taki rozruch przy włączonym w obwód wirnika

rozrusznika czyli rezystorów o regulowanej rezystancji.• W chwili początkowej rozruchu powinny mieć one największą rezystancję,

a w miarę upływu czasu, należy tę rezystancję zmniejszać.• Po osiągnięciu prędkości znamionowej silnika uzyskuje się bezoporowe

połączenie uzwojeń wirnika. Taki rozruch zmniejsza prąd rozruchowy,

a dodatkowe rezystory w obwodzie wirnika powodują zwiększenie momentu

rozruchowego.

ROZRUCH SILNIKA PIERŚCIENIOWEGO

Rozruch silnika pierścieniowego z zastosowaniem rozrusznika czterostopniowego

nns

R4

R3 R2 R1

Przebieg momentu obrotowego M Przebieg prądu rozruchowego I

nns

R4

R3R2 R1

R4>R3>R2>R1

REGULACJA PRĘDKOŚCI

Prędkość obrotową silników indukcyjnych wyraża się zależnością:

f spsnn s 11

z której wynika, że prędkość tę można regulować zmieniając liczbę par biegunów magnetycznych p, częstotliwość f lub poślizg s.

SILNIKA TRÓJFAZOWEGO

• Regulacja prędkości przez zmianę par biegunów jest możliwa w silnikach o specjalnej budowie (wielobiegunowych w których na tabliczkę zaciskową wyprowadzono początek, koniec i środek uzwojeń stojana , jednego lub wielu niezależnych, każdej fazy). Przy odpowiednim połączeniu zacisków stojana silniki te umożliwiają skokową regulację prędkości, tzn. uzyskanie dwu, trzech, a nawet czterech prędkości znamionowych. Regulacjętaką stosuje się tylko w silnikach klatkowych.

• Regulacja prędkości obrotowej przez zmianę częstotliwości polega na zasilaniu silnika za pośrednictwem przetwornicy częstotliwości lub tyrystorowego przemiennika częstotliwości. Należy pamiętać o zwiększeniu napięcia zasilającego, gdyż zachowany zostanie wówczas moment maksymalny silnika (U/f=const.).

• Regulacja prędkości obrotowej przez zmianę poślizgu można uzyskać w wyniku włączenia dodatkowej rezystancji w obwód wirnika. Jest ona możliwa tylko w silnikach pierścieniowych. Przy takiej regulacji wydziela się dużo ciepła w wirniku, stąd stosowana jest przy zmianach prędkości w małym zakresie lub niewielkich przedziałach czasu.

n

f1

f2

f3

f4

f5

f1>f2>f3>f4>f5

Charakterystyki mechaniczne silnika indukcyjnego przy zmianie częstotliwości napięcia stojanastosunku U/f=const

REGULACJA PRĘDKOŚCI SILNIKA

• W silniku dwufazowym prędkość wirowania wirnik zależy od deformacji pola magnetycznego, które może zmieniać kształt z kołowego przez eliptyczne do oscylacyjnego. Zależy to od zasilania poszczególnych uzwojeń fazowych stojana.

• Prędkość możemy zmieniać przez:1. sterowanie amplitudowe - zmianę amplitudy napięcia sterującego2. sterowanie fazowe - zmianę fazy napięcia sterującego3. sterowanie amplitudowo - fazowe - włączenie kondensatora w obwód

wzbudzenie i regulatora napięcia w obwód sterowania

DWUFAZOWEGO

ZMIANA KIERUNKU WIROWANIA

• Zmianę kierunku wirowania uzyskuje się zamieniając między sobą dwa dowolne przewody zasilające dołączone do tabliczki zaciskowej

U1V1 W1

W2V2U2

U1V1 W1

W2V2U2

W SILNIKACH TRÓJFAZOWYCH

ZMIANA KIERUNKU WIROWANIA

• W celu zmiany kierunku wirowania wirnika w silniku

dwufazowy należy zmienić kierunek prądu w jednym

z uzwojeń, a nie zmieniać zacisków łączących silnik

z siecią zasilającą

SILNIK JEDNO - I DWUFAZOWY