Maszyny elektryczne

1. ZASADA BUDOWY MASZYNY INDUKCYJNEJ

Maszyny indukcyjne należą do grupy maszyn elektrycznych prądu przemiennego, których następuje przetwarzanie energii elektrycznej w energię mechaniczną lub odwrotnie.To przetwarzanie energii odbywa się w maszynach indukcyjnych za pośrednictwem pola magnetycznego i jest wynikiem działań dynamicznych pola magnetycznego na przewody (uzwojenia) umieszczone w maszynie , w których płyną prądy wymuszone siłą elektromotoryczną (sem) indukowaną przez te pole magnetyczne.Maszyna indukcyjna ma dwa uzwojenia (obwody elektryczne) umieszczone najczęściej w żłobkach dwu części rdzenia ferromagnetycznego oddzielonych od siebie szczeliną powietrzną. Na ogół uzwojenia nie są ze sobą połączone galwanicznie. Jedno z uzwojeń jest przyłączone do sieci przemysłowej, natomiast drugie uzwojenie jest zwarte bezpośrednio. Przetwarzanie energii elektrycznej w energię mechaniczną – lub odwrotnie – następuje w wyniku indukowania się sem w uzwojeniu zwartym (niezasilanym), które wymuszają przepływ prądu w tym uzwojeniu.
Maszyny indukcyjne mają prostą budowę i w związku z tym charakteryzują się dużą pewnością ruchową, łatwością obsługi oraz małym kosztem. Z tych powodów są one chętnie stosowane w różnych dziedzinach techniki, najczęściej jako silniki i hamulce elektryczne, a rzadziej jako generatory energii elektrycznej, czyli prądnice.
Rozwój maszyn indukcyjnych rozpoczął się od chwili wynalezienia ich w roku 1889 przez Doliwo-Dobrowolskiego i trwa nadal.
Maszyny indukcyjne mogą różnić się wykonaniem uzwojenia umieszczonego na ogół w wirniku (części ruchomej) maszyny , które najczęściej nie jest przyłączone do sieci przemysłowej. Pod tym względem rozróżnia się:
- - maszyny pierścieniowe (uzwojone), które w żłobkach rdzenia wirnika mają uzwojenie rozłożone,
- - maszyny klatkowe (zwarte), które w żłobkach rdzenia wirnika mają uzwojenie rozłożone wykonane jako prętowe, zwarte na czołach, a w związku z tym, jego końcówki nie są wyprowadzone do tabliczki zaciskowej maszyny.
Każda maszyna indukcyjna wirująca jest zbudowana z trzech podstawowych elementów składowych:
- - rdzenia ferromagnetycznego stanowiącego obwód dla strumienia magnetycznego występującego w maszynie;
- - uzwojenia stojana i wirnika, w których indukują się sem i płyną prądy;
- - elementów konstrukcyjnych stanowiących obudowę maszyny i umożliwiającą ruch obrotowy wirnika oraz zapewniających odpowiednie chłodzenie maszyny i odpowiednią ochronę maszyny przed działaniem czynników zewnętrznych (wody, pyłu, ognia itp.).
Rdzeń ferromagnetyczny maszyny wirującej składa się z dwu części: rdzenia stojana i rdzenia wirnika, oddzielonych od siebie szczeliną powietrzną. Rdzenie stojana i wirnika wykonuje się jako pakiety blach magnetycznych wzajemnie odizolowanych od siebie.
Uzwojenia stojana i wirnika umieszcza się w żłobkach odpowiednich rdzeni. Uzwojenia stojanów maszyn klatkowych wykonuje się z przewodów nawojowych, natomiast uzwojenie wirnika tworzą pręty (miedziane, aluminiowe, mosiężne lub brązowe) nieizolowane, o dużym przekroju, całkowicie wypełniające żłobek (na ogół półzamknięty lub zamknięty), przy czym wystające poza rdzeń części poszczególnych prętów są ze sobą połączone po obu stronach pierścieniami zwierającymi czołowymi. Tego typu uzwojenie wirnika nazywa się klatką wirnika.
Elementy konstrukcyjne-kadłub maszyny wykonuje się jako odlew (żeliwny lub ze stopu aluminiowego) albo w większych maszynach jako konstrukcję spawaną. Rdzeń stojana umieszcza się w kadłubie maszyny, natomiast rdzeń wirnika – w maszynach małych bezpośrednio na wale, zaś w większych maszynach – na piaście. Właściwe położenie wirnika w stojanie maszyny zapewniają dwie tarcze łożyskowe- w których osadzone są łożyska.




2. PRACA SILNIKOWA MASZYNY INDUKCYJNEJ

Rozpatruje się maszynę indukcyjną symetryczną (klatkową) mającą w stojanie uzwojenie trójfazowe o liczbie par biegunów równej p, które jest przyłączone do sieci trójfazowej symetrycznej o częstotliwości f1. W tych warunkach powstaje w maszynie pole kołowe wirujące, którego podstawowa harmoniczna przestrzenna (v = 1) wiruje względem stojana z prędkością kątową mechaniczną wm1 nazywamy prędkością kątową synchroniczną określoną zależnością

wm1= 2πƒ1/p

W różnych stanach pracy maszyny indukcyjnej wirnik może wirować względem stojana w dowolnym kierunku z prędkością kątową wm. W celu ujednolicenia rozważań przyjmuje się strzałkę prędkości wirowania wirnika zgodną z kierunkiem wirowania pola magnetycznego. Zjawiska zachodzące w maszynie indukcyjnej uwarunkowane są prędkością wm1-2 wirowania pola magnetycznego względem wirnika (wm1-2=wm1-wm), którą określa się za pomocą poślizgu s. Przy przyjętych strzałkach prędkości wirowania pola magnetycznego wm1 oraz wirnika wm poślizg s definiuje się następującą zależnością


s =ωm1-2/ωm1=ωm1-ωm/ωm1

Zasada działania maszyny indukcyjnej wynika z uwzględnienia praw elektrotechniki dotyczących indukcji elektromagnetycznej oraz działań dynamicznych w polu magnetycznym. Przy wirowaniu pola magnetycznego względem wirnika z prędkością wm1-2=wm1-wm=swm1 w prętach uzwojenia wirnika indukują się przemienne siły elektromotoryczne (sem) E2p o częstotliwości

ƒ2=p*ωm1-2/2π=p*s*ωm1/2π=sƒ1

Jeżeli obwód uzwojenia wirnika jest zamknięty, to pod wpływem indukowanych sił elektromotorycznych płynie w prętach wirnika prąd przemienny I2p. Na pręty uzwojenia wirnika, w których płynie prąd, znajdujące się w polu magnetycznym wirującym działają siły elektrodynamiczne Femp ( o wartości wynikającej z zależności F=B*I*l i o kierunku rzeczywistym wynikającym z reguły lewej dłoni). Te siły elektrodynamiczne tworzą pary sił, w wyniku których na wirnik działa moment elektromagnetyczny Mem.


3. ROZRUCH SILNIKA INDUKCYJNEGO

Rozruch silnika indukcyjnego obejmuje okres przejściowy od postoju do stanu pracy ustalonej, przy prędkości wirowania wirnika odpowiadającej narzuconym warunkom zasilania i obciążenia. Rozruch silnika jest możliwy wtedy, gdy w okresie rozruchu występuje nadwyżka momentu elektromagnetycznego nad momentem mechanicznym, czyli tzw. moment dynamiczny.
Prąd ustalony pobierany z sieci przy postoju wirnika (wm=0, s=1) nazywa się początkowym prądem rozruchowym, zaś moment elektromagnetyczny występujący w tych warunkach – początkowym momentem rozruchowym.
Przy rozruchu bezpośrednim, polegającym na załączeniu silnika ze zwartym uzwojeniem wirnika na napięcie znamionowe przy częstotliwości znamionowej, początkowy prąd rozruchowy silnika jest na ogół kilkakrotnie większy od prądu znamionowego (4...8I1n), zaś początkowy moment rozruchowy może być mniejszy od momentu znamionowego. Duży początkowy prąd rozruchowy silnika jest niepożądany, zarówno ze względu na sam silnik, jak i sieć zasilającą. Dlatego dąży się do zmniejszenia początkowego prądu rozruchowego, przy czym pożądane by było równoczesne powiększenie początkowego momentu rozruchowego silnika. Jedną z metod zmian właściwości rozruchowych silnika indukcyjnego jest zastosowanie przełącznika gwiazda-trójkąt. Rozruch ten morze być realizowany tylko w silnikach indukcyjnych mających wyprowadzone do tabliczki zaciskowej sześć zacisków uzwojenia stojana. Napięcie sieci zasilającej powinno być równe napięciu znamionowemu uzwojenia stojana połączonego w trójkąt. Rozruch silnika rozpoczyna się przy ustawieniu przełącznika w położeniu rozruch ,przy którym uzwojenie stojana jest połączone w gwiazdę. Po załączeniu sieci zasilającej wyłącznikiem wirnik silnika zaczyna wirować. W chwili ustalenia się prędkości silnika należy przełącznik przełączyć w położenie praca, przy którym uzwojenie stojana zostaje połączone w trójkąt.
Przełącznik gwiazda-trójkąt powoduje pożądane zmniejszenie początkowego prądu rozruchowego ( w przybliżeniu 3-krotnie ) oraz niepożądane zmniejszenie momentu rozruchowego ( w przybliżeniu 3-krotne ) silnika.


4. BIEG JAŁOWY SILNIKA INDUKCYJNEGO

Przy biegu jałowym silnika indukcyjnego uzwojenie stojana jest zasilane z sieci przemysłowej, zaś uzwojenie wirnika jest zwarte, przy czym wał wirnika nie jest obciążony żadnym momentem zewnętrznym. W tych warunkach moment elektromagnetyczny silnika jest równoważony stratami mechanicznymi i w wyniku ustala prędkość wirowania wirnika przy wartości nieznacznie mniejszej od prędkości synchronicznej. Zatem przy biegu jałowym silnika poślizg jest bardzo mały (~0,001). Przy zasilaniu napięciem znamionowym w maszynach typowych prąd biegu jałowego I10n wynosi ok. 0,25...0,6 prądu znamionowego I1n, zaś współczynnik mocy cosj10n =0,1...0,2 ( większe wartości I10n i cos j10n mają maszyny małej mocy ).
Moc czynna pobierana przy biegu jałowym jest prawie w całości tracona w uzwojeniu stojana (rPu10=m1R1I210 ), w rdzeniu oraz w postaci strat mechanicznych (rPm).


5. WŁAŚCIWOŚCI RUCHOWE SILNIKA INDUKCYJNEGO PRZY OBCIĄŻENIU

Obciążenie silnika indukcyjnego otrzymuje się przy sprzęgnięciu wału silnika z maszyną obciążającą, przy czym uzwojenie stojana silnika jest zasilane z sieci przemysłowej. Na ogół silnik obciążony pracuje przy niezmiennych warunkach zasilania. W stanie obciążenia silnika ustala się taka prędkość kątowa wirnika, przy której występuje równowaga momentów elektromagnetycznego Mem i mechanicznego Mm=M. Moment elektromagnetyczny dostosowuje się do momentu mechanicznego, czemu odpowiadają zmiany prędkości kątowej. Ustalona prędkość ( poślizg) wirnika silnika indukcyjnego jest, zatem zależna od momentu użytecznego M obciążenia wirnika, od strat tarcia i wentylacji rMm oraz od warunków zasilania silnika. Zmiany momentu użytecznego obciążenia silnika powodują zmiany prądu pobieranego z sieci oraz współczynnika mocy silnika. Z kolei zmiany w uzwojeniach wywołują zmiany strat mocy czynnej i sprawności silnika. Właściwości ruchowe silnika indukcyjnego przy obciążeniu określa się na podstawie charakterystyk statycznych.

6. ZMIANA KIERUNKU WIROWANIA I NASTAWIENIE PRĘDKOŚCI WIROWANIA SILNIKA INDUKCYJNEGO

Z zasady działania maszyny indukcyjnej przy pracy silnikowej wynika, że wirnik silnika indukcyjnego wiruje zgodnie z kierunkiem wirowania pola magnetycznego. Chcąc zatem zmienić kierunek wirowania wirnika należy zmienić kierunek wirowania pola magnetycznego w maszynie. Przy narzuconym przestrzennym rozmieszczeniu faz uzwojenia stojana silnika kierunek wirowania pola magnetycznego jest uwarunkowany kolejnością faz sieci trójfazowej zasilającej silnik. Zatem zmianę kierunku wirowania wirnika silnika otrzymuje się przez zmianę kolejności faz sieci zasilającej silnik. Praktycznie realizuje się to przez „skrzyżowanie” połączenia dwóch dowolnych faz uzwojenia stojana z dwoma fazami sieci zasilającej, przy czym to „skrzyżowanie” można wykonać bezpośrednio na zaciskach uzwojenia stojana silnika na tabliczce zaciskowej, albo bezpośrednio na wyłączniku służącym do załączania i wyłączania silnika.
Silniki indukcyjne pracują często w napędach elektrycznych, od których wymaga się nastawianej prędkości wirowania. Z zależności ωm=ωm1*(1-s) wynika, że nastawianie prędkości wirowania silnika indukcyjnego można zrealizować przez zmianę prędkości synchronicznej ωm1 pola magnetycznego maszyny lub przez zmianę poślizgu s. Nastawianie prędkości przez zmianę prędkości synchronicznej jest ekonomiczne, gdyż nie powoduje zwiększenia strat w maszynie. Natomiast nastawianie prędkości wirowania przez zmianę poślizgu nie jest ekonomiczne, bowiem moc elektryczna tracona w obwodzie uzwojenia wirnika jest proporcjonalna do poślizgu.
Wyróżniamy następujące metody zmiany prędkości wirowania:
· Przez zmianę częstotliwości ƒ1 zasilania uzwojenia stojana możliwe jest nastawianie (ciągłe lub skokowe) prędkości w zakresie od postoju (ωm=0) do prędkości maksymalnej (ωm max) dopuszczalnej ze względów wytrzymałościowych. Aby strumień w maszynie był niezmienny, zmianom częstotliwości ƒ1 powinny towarzyszyć odpowiednie zmiany napięcia U1ƒ (w przybliżeniu U1ƒ/ƒ1=const).
· Przez zmianę liczby par biegunów p możliwe jest skokowe nastawianie prędkości kątowej silnika. Zmianę liczby par biegunów pola magnetycznego można uzyskać w maszynie mającej w stojanie kilka uzwojeń niezależnych, każde o innej liczbie par biegunów lub też jedno uzwojenie o przełączalnej liczbie par biegunów. Silniki z uzwojeniami umożliwiającymi zmianę liczby par biegunów noszą nazwę silników wielobiegowych. Wykonuje się je jako klatkowe (klatka sama dostosowuje się pod względem liczby par biegunów do liczby par biegunów uzwojenia stojana), dwubiegowe, trzybiegowe i czterobiegowe.
· Przez zmianę napięcia U1ƒ zasilania uzwojenia stojana przy ƒ1=const możliwe jest nastawienie (płynne lub skokowe) prędkości kątowej silnika w wąskim zakresie od prędkości minimalnej odpowiadającej poślizgowi krytycznemu sk do prędkości maksymalnej odpowiadającej pracy silnika przy zasilaniu napięciem znamionowym.
· Przez włączenie impedancji dodatkowej w obwód stojana możliwe jest nastawianie prędkości kątowej silnika „w dół” w wąskim zakresie. Częstsze zastosowanie znajduje układ z reaktancjami dodatkowymi w obwodzie stojana, przy czym jako reaktancję nastawianą można użyć wzmacniacz magnetyczny transduktorowy. Konieczne jest przy tym znaczne „przewymiarowanie” silnika, gdyż w miarę zmniejszania prędkości kątowej zwiększają się straty.




7. DANE ZNAMIONOWE ORAZ WYZNACZANIE PARAMETRÓW SCHEMATU ZASTĘPCZEGO SILNIKA INDUKCYJNEGO


Każda maszyna elektryczna ma określone dane wykonawcze uzwojeń i rdzenia i jest zbudowana na określone warunki zasilania i obciążenia. Danymi znamionowymi nazywa się zespół określeń i wartości liczbowych parametrów elektrycznych, magnetycznych i mechanicznych, na które maszyna została zbudowana oraz charakteryzujących pracę, do której maszyna indukcyjna jest przeznaczona. Warunki pracy znamionowej maszyny występują, jeśli wszystkie parametry elektryczne , magnetyczne i mechaniczne maszyny mają wartość znamionową.
Tabliczka znamionowa silnika indukcyjnego zawiera następujące dane znamionowe i dane ogólne:
- - moc znamionową Pn rozumianą jako moc użyteczną wydawaną poprzez wał silnika,
- - napięcie znamionowe uzwojenia stojana U1n oraz układ połączeń stojana; w przypadku silników trójfazowych jest to napięcie międzyprzewodowe,
- - prąd znamionowy uzwojenia stojana I1n ; w przypadku silników trójfazowych jest to prąd przewodowy (płynący w przewodzie łączącym uzwojenie z siecią zasilającą),
- - współczynnik mocy znamionowej cos φ1n rozumiany jako współczynnik mocy silnika od strony uzwojenia stojana,
- - częstotliwość znamionową ƒ1n napięcia zasilającego stojan silnika,
- - prędkość kątową znamionową wirnika ωmn,
- - dane ogólne, a wśród nich: nazwę producenta, oznaczenie typu, symbol rodzaju pracy, najwyższą dopuszczalną temperaturę czynnika chłodzącego, masę maszyny.