Temat: SILNIKI ASYNCHRONICZNE INDUKCYJNE Zagadnienia: • budowa i zasada działania, • charakterystyka mechaniczna, • rozruch i regulacja prędkości obrotowej.

1

PODZIAŁ MASZYN ELEKTRYCZNYCH Podział maszyn ze względu na zastosowanie: − energetyczne (prądnice, silniki, przetwornice) – istotna sprawność − specjalne (prądnice tachometryczne, selsyny, silniki skokowe, silniki wykonawcze itp.) – istotna ch-ka przetwarzania sygnału

Podział maszyn ze względu na rodzaj prądu:

Maszyny elektryczne

Prądu stałego

Prądu przemiennego

Asynchroniczne Indukcyjne Klatkowe

Synchroniczne

Komutatorowe

Pierścieniowe

2

MASZYNY INDUKCYJNE

Maszyny indukcyjne są maszynami odwracalnymi: −

praca prądnicowa

−

praca silnikowa

W praktyce maszyny asynchroniczne stosowane są jako silniki

Podział silników indukcyjnych ze względu na rodzaj wirnika: − klatkowe − pierścieniowe

3

RODZAJE PÓL MAGNETYCZNYCH Rodzaje pola magnetycznego: 1. Stałe pole magnetyczne (wektor indukcji stały w czasie i przestrzeni) 2. Zmienne pole magnetyczne • pulsujące (oscylacyjne) - zmienne w czasie lecz stałe w przestrzeni, • wirujące - stałe w czasie lecz zmienne w przestrzeni

Sposoby wytwarzania pola wirującego: • wirujący magnes, • uzwojenie trójpasmowe (trójfazowe) rozmieszczone w przestrzeni co 120° elektrycznych i zasilane napięciem trójfazowym, • uzwojenie dwupasmowe (prostopadłe) zasilane napięciami ortogonalnymi (przesuniętymi w fazie o 90°).

4

WIRUJĄCE POLE MAGNETYCZNE

Bc dla ic>0

ia

ib

Ba dla ia>0

ic Bb dla ib>0

ic

ia

ib

5

WIRUJĄCE POLE MAGNETYCZNE

i

Bc

ia

ib

ic

-Bb

0

T t

Ba=0 Bb

t=0

B

Bc

-Bb

6

WIRUJĄCE POLE MAGNETYCZNE ia

i

Bc

ib

ic

-Bb

T t

0 Ba Bb

T t= 12

B

T 12

-Bb Bc

Ba

7

WIRUJĄCE POLE MAGNETYCZNE ia

i

Bc=0

ib

ic

-Bb

T t

0 Ba Bb

-Bb

t=

T 6

T T 6 12

B

Ba 8

WIRUJĄCE POLE MAGNETYCZNE i

Bc

ia

ib

ic

-Bb

T t

0 Ba -Bc

Bb

t= T4

T T 4 T 6 12

-Bb B Ba Bc 9

WIRUJĄCE POLE MAGNETYCZNE BBcc=0 Bc dla ic>0

ia

ib

i

ia

-Bbic 120o BaBdla a ia>0

ib

ic T t

0

Ba=0

ic B Bb dla ibb>0Bb

-Bicb

ia

B

B

-Bb -B-B b b -Bb Bc

T t=0 t= 12 64

T T 4 T 6 12

B B Ba Ba B a

Bc 10

B B

B

WIRUJĄCE POLE MAGNETYCZNE

Bc -B B b BcBc -B-B B b b -Bb Bc B -Ba Ba Ba -B-B a a B B -Ba B a b Bc B B Bb c -Bc B B -Bc B b b -Bc B B B 8T 5T 5T T 3T 7T t=T t=0 t= 6324 12 12 11

WIRUJĄCE POLE MAGNETYCZNE

Prędkość wirowania pola stojana [1/s] n1 = f1 [Hz] [1/min] n1 =

60 ⋅ f1 [Hz] p

n1 − prędkość wirowania pola (prędkość synchroniczna), f1− częstotliwość napięcia zasilającego p – liczba par biegunów

12

OBWÓD MAGNETYCZNY SILNIKA ASYNCHRONICZNEGO

Blacha stojana Żłobek Ząb Blacha wirnika

13

OBWÓD MAGNETYCZNY SILNIKA ASYNCHRONICZNEGO

Pakiet blach wirnika Pakiet blach stojana 14

UZWOJENIA SILNIKA ASYNCHRONICZNEGO Tabliczki zaciskowe

Połączenie w gwiazdę

U1 V1 W1

U1 V1 W1

V2 W2 U2

Połączenie w trójkąt

V2 W2 U2 L1 3N~50Hz 230/400V L2 L3

L1 L2 L3 U1 V1 W1

Uzwojenia

U1 V1 W1

U2 V2 W2 L1 3N~50Hz 230/400V L2 L3

U2 V2 W2 L1 L2 L3 15

BUDOWA SILNIKA INDUKCYJNEGO TRÓJFAZOWEGO KLATKOWEGO

16

BUDOWA SILNIKA INDUKCYJNEGO TRÓJFAZOWEGO KLATKOWEGO skrzynka zaciskowa tabliczka znamionowa

częsci nieruchome częsci ruchome jarzmo stojana

wał

wentylator tarcza łożyskowa uzwojenie stojana

rdzeń stojana

klatka wirnika rdzeń wirnika

17

BUDOWA SILNIKA INDUKCYJNEGO TRÓJFAZOWEGO KLATKOWEGO

18

BUDOWA SILNIKA INDUKCYJNEGO TRÓJFAZOWEGO KLATKOWEGO Połączenie uzwojeń stojana w gwiazdę

19

BUDOWA SILNIKA INDUKCYJNEGO TRÓJFAZOWEGO KLATKOWEGO

20

WIRNIK KLATKOWY

1. Rdzeń wirnika 2. Pręty klatki (miedź lub aluminium) 3. Łopatki wentylatora 4. Pierścienie zwierające

21

WIRNIK PIERŚCIENIOWY wyprowadzenie uzwojeń urządzenie szczotkowe szczotki

łożysko rdzeń żłobek wirnika rdzenia wał

łożysko

pierścienie uzwojenie ślizgowe wirnika 22

ZASADA DZIAŁANIA SILNIKA ASYNCHRONICZNEGO TRÓJFAZOWEGO INDUKCYJNEGO 60 ⋅ f1 Pole magnetyczne stojana wirując z prędkością n1 = indukuje napięcie w uzwojeniach: p ∗ stojana E = 4,44 ⋅ Φ ⋅ z ⋅ k ⋅ f (indukcja własna) 1

1

1

1

∗ wirnika E 2s = 4,44 ⋅ Φ ⋅ z 2 ⋅ k 2 ⋅ f 2 (indukcja wzajemna)

Największe napięcie w wirniku indukuje się gdy wirnik jest nieruchomy tzn. gdy n=0 (silnik można wtedy porównać do transformatora w stanie zwarcia) wtedy

f 2 = f1

i

E 2s = E 2 = 4,44 ⋅ Φ ⋅ z 2 ⋅ k 2 ⋅ f1

Prąd w uzwojeniu wirnika

E I 2s = 2s Z 2s

n1 - prędkość wirowania pola stojana f1, f2 - częstotliwość napięcia i prądu w uzwojeniach stojana i wirnika p - liczba par biegunów E1 - napięcie indukowane w uzwojeniach E2 - napięcie indukowane u uzwojeniach nieruchomego wirnika E2s- napięcie indukowane u uzwojeniach ruchomego wirnika Z2s- impedancja uzwojenia wirnika

23

ZASADA DZIAŁANIA SILNIKA ASYNCHRONICZNEGO TRÓJFAZOWEGO INDUKCYJNEGO Współdziałanie pola od prądu wirnika z wirującym polem stojana daje moment obrotowy indukcyjny określony wzorem

M e = c ⋅ Φ ⋅ I 2 ⋅ cos Ψ ψ - kąt między E2s i I2 ; I2cosψ - składowa czynna prądu

Wirnik silnika obraca się zgodnie z kierunkiem wirowania pola stojana, a jego prędkość będzie mniejsza od prędkości pola i zależy od obciążenia silnika Wirnik silnika będzie się obracał wolniej niż pole, niejednocześnie z polem, asynchronicznie względem pola z pewnym poślizgiem „s” względem tego pola n − n f2 s= 1 = n1 f1

stąd

n = n1 (1 − s) =

60 ⋅ f1 (1 − s) p

poślizg i prędkość wirowania wirnika mogą się zmieniać w granicach 0 < s ≤1 0 ≤ n < n1

praktyczna wartość poślizgu na biegu jałowym wynosi

s = 0,02÷ 0,05

24

ZASADA DZIAŁANIA SILNIKA ASYNCHRONICZNEGO TRÓJFAZOWEGO INDUKCYJNEGO Poślizg zależy od momentu obciążenia i ma wpływ na: f2 ∗ częstotliwość prądu w wirniku s = f1

f 2 = s ⋅ f1

∗ napięcie indukowane w uzwojeniu wirnika

E 2s = E 2 ⋅ s

E 2s = 4,44 ⋅ Φ ⋅ z 2 ⋅ k 2 ⋅ s ⋅ f1

∗ reaktancję i impedancję uzwojenia wirnika (rezystancja nie zależy od poślizgu)

X 2s = X 2 ⋅ s X 2s = 2 ⋅ π ⋅ L 2 ⋅ f1 ⋅ s

R 2s = R 2

Z2s = R 22 + X 22s

E s ⋅ E2 ∗ prąd w uzwojeniu wirnika I 2s = 2s = Z 2s

Z 2s

Parametry z indeksem 2 dotyczą wirnika w spoczynku, z indeksem 2s w ruchu np.:

25

ZALEŻNOŚĆ MOMENTU OD POŚLIZGU Moment elektromagnetyczny Me (indukcyjny) Podstawiając do wzoru na moment M e = c ⋅ Φ ⋅ I 2 ⋅ cos Ψ E1 s ⋅ E2 R2 Φ= I 2s = cos ψ = 4,44 ⋅ k1 ⋅ f ⋅ z1 Z 2s R 22 + s 2 X 22 ψ - kąt między E2 i I2 ; I2cosψ - składowa czynna prądu

otrzymamy

c ⋅ E12 s⋅R s⋅R Me = ⋅ 2 22 2 = c1E12 ⋅ 2 22 2 4,44 ⋅ f1 ⋅ z1 ⋅ k R 2 + s ⋅ X 2 R 2 + s ⋅ X2

dla E1=const otrzymamy ch-kę M e = f (s) R 2 przy pewnej dM e s = = 0 określimy poślizg krytyczny k obliczając X 2 prędkości krytycznej nk ds

Dla poślizgu krytycznego sk funkcja Me=f(s) osiąga maksimum (wartość momentu krytycznego Mk)

M e max = M k = c1E12

1 2 1 ≈ c1U1 2X 2 2X 2

26

CHARAKTERYSTYKA MECHANICZNA SILNIKA INDUKCYJNEGO TRÓJFAZOWEGO

Mk

M e = c1E12 ⋅ Mr

Me Mk

1

R 22 + s 2 ⋅ X 22

M e max = M k ≈ c1U12

s

1 2X 2

0

n n1

R 2 > R2 > R 2

nk

U1

>

0 sk n n 1

s ⋅R2

U2

>

Me

U3

Mr 0 s 1

nk3 nk2 nk1 n1 0

n

0

Mr

Mk

Me 27

SPOSOBY ROZRUCHU SILNIKA INDUKCYJNEGO TRÓJFAZOWEGO

Rozruch silników asynchronicznych (ograniczenie prądu rozruchu): 1. Rozruch bezpośredni (dla silników małej mocy) stosowany gdy prąd rozruchowy Ir= (5÷7)In 2. Przełącznik gwiazda/trójkąt (przy gwieździe prąd pobierany z sieci jest 3 razy mniejszy niż przy trójkącie) 3. Włączenie dodatkowej rezystancji w obwodzie wirnika (tylko w silniku pierścieniowym). w chwili rozruchu: I2↓ bo R2 ↑ a moment rośnie bo cosΨ rośnie 4. Rozruch przy obniżonym napięciu zasilającym • dławiki • dodatkowa rezystancja w obwodzie stojana • autotransformatory (wada: maleje moment rozruchowy bo Me zależy od U1) 5. Zmiana częstotliwości napięcia zasilającego (gdy f1 małe to E2 małe i I2 małe ale moment rozruchowy nie maleje bo cosΨ rośnie) przy rozruchu musi być spełniony warunekU1/f1= const 28

SPOSOBY ROZRUCHU SILNIKA INDUKCYJNEGO TRÓJFAZOWEGO Sieć 3 400V +

Przełącznik gwiazda/trójkąt

L1 L2 L3

(przy gwieździe prąd pobierany z sieci jest 3 razy mniejszy niż przy trójkącie)

U1 V1 W1

Stojan U2 V2 W2

0

Przełącznik

Wirnik klatkowy

29

SPOSOBY ROZRUCHU SILNIKA INDUKCYJNEGO TRÓJFAZOWEGO

Me 2 1,5

M

1

Przełącznik gwiazda/trójkąt (przy gwieździe prąd pobierany z sieci jest 3 razy mniejszy niż przy trójkącie)

0,5

Mm

M

n

0 1

0

I

4 3 2

2

1

I

s

I

I

1 0 1

n 0

s

30

+

Sieć 3 400V

L1 L2 L3

ROZRUCH SILNIKA TRÓJFAZOWEGO Me INDUKCYJNEGO Mn Rr4>Rr3>Rr2>Rr1>Rr=0 PIERŚCIENIOWEGO 2 1,5

U1 V1 W1

Włączenie dodatkowej Mm rezystancji w obwodzie wirnika w chwili rozruchu: I2↓ n bo R ↑ a moment rośnie 2 nn bo cosΨ rośnie

1

Stojan

0,5

U2 V2 W2

0 1

Wirnik pierścieniowy

I In K

4

4

L M 1 2 3 0

3

0

2 0

Rozrusznik

Rr

1 0 1

0

s

Me-moment elektromagn. (rozruchowy) Mm-moment mechaniczny (hamujący) In-prąd znamionowy nn-prędkość n nn znamionowa s-poślizg 0 s 31

SPOSOBY ROZRUCHU SILNIKA INDUKCYJNEGO TRÓJFAZOWEGO Sieć 3 400V +

Sieć 3 400V

+

L1 L2 L3

L

L

L

U1 V1 W1

Stojan

Autotransformator

Dławiki

L1 L2 L3

Rozruch przy obniżonym napięciu zasilającym • dławiki • dodatkowa rezystancja w obwodzie stojana • autotransformatory (wada: maleje moment rozruchowy bo Me zależy od U1)

U1 V1 W1

Stojan U2 V2 W2

Wirnik klatkowy

U2 V2 W2

Wirnik klatkowy

32

REGULACJA PRĘDKOŚCI SILNIKA INDUKCYJNEGO TRÓJFAZOWEGO

Prędkość wirowania wirnika

n=

60 ⋅ f1 (1 − s) p

Sposoby regulacji prędkości: 1. Zmiana częstotliwości napięcia zasilającego musi być spełniony warunekU1/f1= const 2. Zmiana liczby par biegunów p (tylko w silnikach klatkowych) regulacja skokowa prędkości 3. Zmiana poślizgu przez włączenie dodatkowej impedancji w obwód stojana lub wirnika niewielki zakres regulacji, sposób nieekonomiczny 33

34