2.3 Silniki indukcyjne

      Silniki synchroniczne - są to silniki trójfazowe o mocach od kilku kW do kilku MW i stałej prędkości obrotowej w granicach 500÷1500 obr./min (wyjątkowo 3000 obr./min), niezależnej od obciążenia i napięcia zasilającego. Stosowane są rzadko, głównie w napędach o specjalnej charakterystyce, takich jak: pompy, wentylatory i kompresory. Jako maszyny synchroniczne znajdują głównie zastosowanie jako generatory elektroenergetyczne.

Głównymi elementami silników synchronicznych są:

— stojan z uzwojeniem trójfazowym,

— wirnik jednobiegunowy lub cylindryczny z uzwojeniem wzbudzania oraz z klatką rozruchową.

      Silniki indukcyjne (asynchroniczne) są powszechnie stosowane  do napędu urządzeń o nieregulowanej prędkości obrotowej. Występują najczęściej jako silniki o wirnikach klatkowych (zwartych), o mocy od kilku watów do kilkuset kilowatów, na napięcie znamionowe od 0,4 do 6 kV.

Zasadniczymi elementami silnika klatkowego są:

— stojan z umieszczonym wewnątrz pakietem blach krzemowych i uzwojeniem usytuowanym

    w żłobkach,

— wirnik stanowiący pakiet blach, z uzwojeniem w postaci klatki (pręty i pierścienie z aluminium).

      Silniki z wirnikami uzwojonymi, zwane silnikami pierścieniowymi  są budowane w zakresie mocy od około 2 kW do kilku MW przy takich samych napięciach zasilania. Silnik pierścieniowy różni się tym od silnika klatkowego, że w żłobkach wirnika posiada trójfazowe uzwojenie, których końce są zwarte, a początki wyprowadzone są do pierścieni ślizgowych. Na pierścieniu umieszczone są szczotki, które umożliwiają połączenie obracającego się uzwojenia wirnika z rozrusznikiem lub regulatorem prędkości obrotowej. W silnikach pierścieniowych, które przeznaczone są do pracy bez regulacji prędkości obrotowej, wbudowane są urządzenia do zwierania pierścieni i unoszenia szczotek.

      Silniki o wirniku pierścieniowym mają, w odróżnieniu od silników o wirniku klatkowym,  mniejszy prąd rozruchowy i możliwość regulacji prędkości obrotowej. Są one jednak bardziej kłopotliwe w eksploatacji oraz droższe.

2) Zasada działania silnika indukcyjnego

      Większość maszyn indukcyjnych stanowią maszyny  trójfazowe. Jeżeli uzwojenie stojana jest zasilane  napięciem trójfazowym, to powstaje pole magnetyczne pochodzące od uzwojenia stojana, wirujące z prędkością obrotową, obr/min.

Stosunek prędkości pola względem wirnika do prędkości synchronicznej nazywamy poślizgiem, czyli:

przy czym:

- n - prędkość obrotowa wirnika,

- dla silnika  0 < s < 1,

- dla prądnicy s < 0.

Poślizg przy obciążeniu znamionowym silnika wyraża się zależnością:

      Ze zwiększeniem obciążenia silnika następuje wzrost poślizgu (rys.1). Przeciętne wartości poślizgu przy obciążeniu znamionowym mieszczą się w granicach od 0,01 (dla dużych maszyn) do 0,1 (dla b. małych maszyn)

- Gdy wirnik silnika pozostaje nieruchomy; (n = 0)  to poślizg s = 1,

- Gdy wirnik wiruje z prędkością synchroniczną: (n = n_s ) to poślizg  s = 0

Rys. 1 Rodzaje pracy maszyny indukcyjnej

Rys. 2 Schemat zastępczy silnika indukcyjnego

3) Moment obrotowy silnika indukcyjnego (rys. 1 i 2)

Elektromagnetyczny moment obrotowy, N.m :

- silnika -

- prądnicy

Moment krytyczny (maksymalny), N m:

Poślizg krytyczny,

4) Oznaczenia zacisków i końcówek uzwojeń (zgodnie z PN-EN 60034-8:2005)

a) Uzwojenie fazowe stojana (pierwotne) - U, V, W, zacisk zerowy - N,

b) uzwojenie fazowe wirnika (wtórne)      - K, L, M,  zacisk zerowy - Q,

c) Początki uzwojeń fazowych oraz połączone z nimi zaciski - cyfrą 1, np. U1, K1,

d) Końce uzwojeń fazowych oraz połączone z nimi zaciski    - cyfrą 2, np. V2, L2,

e) Oddzielne uzwojenia trójfazowe albo jedno uzwojenie trójfazowe złożone z oddzielnych pasm,

   to zaciski oraz końcówki należące do kolejnych uzwojeń fazowych lub kolejnych pasm wyróżnia

   sie cyframi 1,2,,....,k, np.

    - 1U1, 1U2 - oznaczają odpowiednio początek oraz koniec pierwszego uzwojenia fazowego U

                       w stojanie

    - 2L1, 2L2, - oznaczają odpowiednio początek oraz koniec drugiego uzwojenia fazowego L

                       w wirniku.

f) Zaczepy   fazowych stojana lub wirnika, to wyróżnia się je kolejnymi cyframi 3, 4, 5, ...

   np. U3 - pierwszy zaczep w uzwojeniu fazowym U stojana.

g) Jeżeli uzwojenie pierwotne jest w wirniku, a uzwojenie wtórne w stojanie, to oznaczenia U,V,W,N

   stosuje się do wirnika, a oznaczenia K,L,M,Q - do stojana.

      Wg. PN-EN 60034-8:2005O - oznaczenie końcówek  lub zacisków  uzwojenia stojana U1, V1, W1 i połączenie ich odpowiednio z przewodami L1, L2, L3 sieci zasilającej, powinno zapewnić obracanie się wirnika w prawo (zgodnym z ruchem wskazówek zegara), obserwowanym od strony czopa końcowego wału.

5) Rodzaje silników trójfazowych i ich podstawowe charakterystyki

Właściwości użytkowe silników indukcyjnych obrotowych zależą od rodzaju ich wirników. Z tego względu silniki indukcyjne trójfazowe można podzielić na silniki o wirniku:

a} klatkowym:

- zwykłym,

- głębokożłobkowym,

- dwuklatkowym,

b) pierścieniowym.

      Po włączeniu silnika do sieci trójfazowej uzwojenie stojana wytwarza pole, którego prędkość wirowania zależy od liczby par biegunów. Jeżeli umieszczony wewnątrz stojana wirnik ma swobodę ruchu obrotowego, a jego uzwojenia są zwarte (bezpośrednio lub przez rezystancję), to na skutek działania pola wirującego na prądy indukowane w tych uzwojeniach powstaje moment obrotowy, powodujący ruch wirnika zgodnie z kierunkiem wirującego pola.

      Prędkość obrotowa wirnika powinna być o kilka procent niższa od prędkości synchronicznej pola. Współczynnik mocy cosφ_N i sprawność η_N zależą od stopnia jego obciążenia na wale.

6) Zależności podstawowe silników i prądnic trójfazowych:

a) moc znamionowa, kW:

    -silnika:   

P_N= √3 U_N I_N η_N cosφ_N ∙ 10^-3

    -prądnicy:

P_N= √3 U_N I_N  cosφ_N ∙ 10^-3

b) napięcie uzwojenia fazowego stojana, V:

    - przy połączeniu w trójkąt:    

U_s= U_N

    - przy połączeniu w gwiazdę: 

c) prąd uzwojenia fazowego stojana, A:

   - przy połączeniu w trójkąt:

   - przy połączeniu w gwiazdę: 

 I_st= I_N

2.4 Rozruch silników indukcyjnych

      Rozruchem silnika indukcyjnego nazywa się stan pracy od chwili załączenia napięcia do osiągnięcia ustalonej prędkości obrotowej określonej parametrami zasilania (napięciem i częstotliwością) i obciążenia (momentem hamującym).

      Wymagania co do ograniczenia zarówno prądu rozruchowego jak i spadku napięcia w sieci, jak i przyrostów temperatury uzwojeń podczas rozruchu, a także zmniejszenia udaru mechanicznego w urządzeniu napędzanym łatwiej można spełnić, stosując silnik o wirniku pierścieniowym niż silnik o wirniku klatkowym.

      Rozruch silników indukcyjnych trójfazowych (o wirnikach klatkowym i pierścieniowym) pokazano na rys. 3.

Rys. 3 Rozruch silnika indukcyjnego:

a) o wirniku klatkowym, załączanego za pomocą przełącznika gwiazda - trójkąt,

b) o wirniku pierścieniowym, załączanego za pomocą rozrusznika .

      Rozruch silnika o wirniku pierścieniowym przeprowadza się za pomocą rozrusznika oporowego, włączonego w obwód uzwojenia wirnika (rys. 3b). Zarówno silnik, jaki rozrusznik wyposażone są w styki pomocnicze blokady elektrycznej. Uniemożliwiają one załączenie silnika do sieci, jeśli przyrząd szczotkowy i pokrętło rozrusznika nie znajdują się w pozycji rozruchowej początkowej.

      Przed uruchomieniem silnika pokrętło rozrusznika należy ustawić na maksymalną rezystancję, a następnie w czasie rozruchu stopniowo zmniejszać, aż do bezpośredniego zwarcia pierścieni. Poprzez zmianę rezystancji w obwodzie wirnika uzyskuje się możliwość płynnej zmiany obrotów, przy stosunkowo dużych stratach energii elektrycznej na rezystorze regulacyjnym. Dla ograniczenia strat stosuje się połączenie silnika z siecią za pomocą specjalnego układu elektronicznego, który powoduje, że część strat jest oddawana do sieci zasilającej.

      Podczas pracy silnika indukcyjnego może wystąpić zjawisko samorozruchu. Polega ono na tym, ze w przypadku nawet krótkotrwałego zaniku napięcia lub znacznym jego obniżeniu, następuje zmniejszenie się prędkości obrotowej do zatrzymania włącznie. Jeżeli jednak czas trwania zaniku lub spadku napięcia jest krótszy od czasu potrzebnego do zatrzymania, to w określonych warunkach jest możliwe utrzymanie silnika w ruchu i w miarę wzrostu napięcia, powrót do normalnego stanu pracy. Proces ten nazywa się samorozruchem.

 Rozruch silnika o wirniku klatkowym polega na:

a) załączeniu do sieci na napięcie znamionowe,

b) załączeniu do sieci na napięcie obniżone,

c) załączeniu na niesymetryczny układ napięć.

Ad.a) Bezpośrednie załączenie do sieci na napięcie znamionowe jest najprostszym ale też najbardziej krytycznym stanem pracy silnika o wirniku klatkowym. Moment rozruchowy silnika jest niewielki, a występujące wielokrotne przekroczenie znamionowego prądu silnika w czasie rozruchu, jest przyczyną spadku napięcia w sieci.

      Dopuszczalna moc trójfazowych silników indukcyjnych o wirniku klatkowym , załączanych bezpośrednio do sieci elektroenergetycznej;

a) przy załączeniu bezpośrednim:

    - do sieci o napięciu  127 V   - 2,2 kW,

    - do sieci o napięciu  230 V   -   4 kW,

    - do sieci o napięciu  400 V   - 5,5 kW,

b) przy załączeniu za pomocą przełącznika gwiazda - trójkąt:

    - do sieci o napięciu  127 V   -  6 kW,

    - do sieci o napięciu  230 V   - 12 kW,

    - do sieci o napięciu 400 V    - 15 kW.

Dopuszczalna moc jednofazowego silnika indukcyjnego włączanego bezpośrednio:

- do sieci: o napięciu 127 V - wynosi  0,5 kW,

- do sieci o napięciu  230 V - wynosi  1,5 kW.

Dopuszcza się spadek napięcia w sieci w chwili rozruchu równy:

- 5%   - jeśli z transformatora są zasilane również źródła światła,

- 10% - jeżeli rozruchy są częste i ciężkie, a transformator nie zasila jednocześnie źródeł światła,

- 15% - jeżeli rozruchy są sporadyczne i lekkie, a transformator nie zasila jednocześnie źródeł

           światła.

Ad.b) Załączenie do sieci na napięcie obniżone można osiągnąć stosując:

- przełącznik gwiazda-trójkąt (rys. 3a),

- transformator rozruchowy, lub

- dodatkową impedancję połączoną szeregowo z silnikiem.

      Załączenie do sieci za pomocą przełącznika gwiazda-trójkąt może być stosowane tylko dla silników niskiego napięcia w wykonaniu zgodnym z PN-EN 60034-12:2004, których uzwojenia fazowe stojana są połączone w trójkąt, przy napięciu znamionowym.

      Przełącznik gwiazda-trójkąt ustawia się w pozycji "gwiazda" łącząc uzwojenia fazowe stojana w gwiazdę. Prąd pobierany z sieci i elektromagnetyczny moment obrotowy będą co najmniej  3 razy mniejsze niż przy połączeniu w trójkąt. Natomiast prąd w uzwojeniach fazowych zmniejsza sie do ok. 57% wartości występującej przy połączeniu w trójkąt.

      Gdy prędkość obrotowa w połączeniu w gwiazdę osiągnie wartość blisko znamionowej, może nastąpić przełączenie uzwojeń stojana w trójkąt.

     Załączenie za pomocą transformatora rozruchowego stosuje się w zasadzie do silników o mocy większej niż ok. 500 kW.

Rys. 4 Schemat połączenia silnika z autotransformatorem rozruchowym

      Przy otwartych wyłącznikach W2 i W3 autotransformator rozruchowy AT jest załączony jako dławik szeregowy. Dla zmniejszenia prądu rozruchowego pobieranego z sieci k - krotnie, to należy zastosować transformator o przekładni √k. Uzyskanie odpowiednio dużego momentu rozruchowego, obniża się napięcie na zaciskach silnika tylko o 20 - 30%.

      Załączenie impedancji szeregowej powoduje obniżanie się napięcia podczas rozruchu. Rezystancję włączoną szeregowo z uzwojeniami stojana stosuje się tylko w silnikach małej mocy. W silnikach dużej mocy włącza sie w tym celu dławiki o odpowiednio dobranej reaktancji. Moment obrotowy podczas takiego rozruchu zmniejsza sie k² -krotnie a więc  bardziej niż prąd rozruchowy. 

      Warunki rozruchowe  przy szeregowym załączeniu dodatkowej impedancji są zatem mniej korzystne niż przy rozruchu za pomocą autotransformatora lub przełącznika gwiazda-trójkąt. Dodatkową rezystancję lub reaktancję zwiera się po osiągnięciu przez silnik stanu ustalonego przy obniżonym napięciu.

Ad.c) Załączenie na niesymetryczny układ napięć stosuje sie również w celu zmniejszenia elektromagnetycznego momentu rozruchowego. Najprostszy sposób uzyskania niesymetrii napięć na zaciskach silnika polega na włączeniu dodatkowej rezystancji szeregowo w jednym uzwojeniu fazowym stojana (rys.5  ).

Rys . 5 Schemat połączeń silnika z dodatkowym opornikiem rozruchowym R_aw jednym przewodzie fazowym,

Oznaczenie: W2 - wyłącznik zwierający opornik po rozruchu silnika

      W tablicy 2 przedstawiono porównanie podanych wyżej sposobów rozruchu trójfazowych silników indukcyjnych.

Tablica 2. Porównanie różnych sposobów rozruchu silników indukcyjnych

gdzie:

I_ns- prąd znamionowy silnika

M_n- moment znamionowy silnika

2.5 Regulacja prędkości obrotowej

Prędkość obrotowa silnika indukcyjnego jest określona wzorem:

W silnikach indukcyjnych możliwe są następujące sposoby regulacji obrotów:

1) poprzez zmianę liczby par biegunów w silnikach wielobiegowych (regulacja skokowa),

2) poprzez zmianę częstotliwości. Przemienniki częstotliwości zwane falownikami umożliwiające

    płynną regulację prędkości obrotowej. Realizują także inne funkcje sterowania, jak: rozruch,

    zabezpieczenie, hamowanie.

3) poprzez zmianę napięcia i rezystancji stojana i wirnika:

    - regulacja poprzez zmianę napięcia stojana - stosowana jest bardzo rzadko i tylko w silnikach

      małej mocy.

Zakres regulacji jest tym mniejszy im mniejsze jest obciążenie silnika.

    - regulacja poprzez zmianę napięcia dodatkowego w obwodzie wirnika - wykonywana jest przy

      układów kaskadowych wyposażonych w elementy półprzewodnikowe, 

    - regulacja za pomocą rezystancji w obwodzie wirnika - może być stosowana tylko w silnikach

      o  wirniku pierścieniowym. Ze względu na duże straty mocy w oporniku włączonym w obwód

      wirnika - tym większe, im większe jest zmniejszenie prędkości obrotowej - ten sposób regulacji

      wykorzystuje się tylko w silnika małej mocy.

2.6 Hamowanie silnika

Hamowanie urządzenia napędzanego za pomocą maszyny indukcyjnej występuje:

a) przy zasilaniu jej z sieci trójfazowej symetrycznej:

    - hamowanie prądnicowe albo odzyskowe, z poślizgiem s < 0,

    - hamowanie przy przeciwwłączeniu, z poślizgiem s > 1. Hamowanie przeciwwłączeniowe ma 

      miejsce wtedy, gdy jego wirnik wiruje w kierunku przeciwnym do kierunku momentu obrotowego

      wytwarzanego przez silnik. Zmianę kierunku wytwarzanego momentu można uzyskać przez

      zmianę pozycji przełącznika powodującego zmianę kolejności faz,

b) przy zasilaniu jej z sieci niesymetrycznej i pracy z poślizgiem względem pola współbieżnego

    0 < s < 1,

c) przy odłączeniu od sieci i włączeniu w obwód stojana napięcia stałego, tzw. hamowanie

    dynamiczne,

2.7 Zabezpieczenia silników

      Silniki elektryczne wywierają istotny wpływ na sieć zasilającą; np. przetężenia prądowe przy rozruchu silników, spadki lub wahania napięć oraz znaczny pobór mocy biernej przez silniki przy biegu jałowym.

Do podstawowych zabezpieczeń silników należą:

a) zabezpieczenie zwarciowe,

b) zabezpieczenie przeciążeniowe,

c) zabezpieczenie od skutków obniżenia napięcia.

      Jako zabezpieczenie zwarciowe silników o napięciu nie przekraczającym 1 kV stosuje się bezpieczniki topikowe w trzech fazach lub wyzwalacze elektromagnetyczne trójfazowe.

      Dla silników o napięciu przekraczającym 1 kV rolę zabezpieczenia zwarciowego mogę spełniać bezpieczniki topikowe w 3 fazach w połączeniu z rozłącznikiem lub nadprądowe przekaźniki bezzwłoczne. Dla silników o mocy powyżej 2 MW i wyprowadzonych sześciu końcówkach stosuje się zabezpieczenie różnicowe wzdłużne w dwóch fazach. Silniki o mocy powyżej 1 MW wyposaża się w zabezpieczenie od zwarć doziemnych, zasilane z przekładnika Ferrantiego.

      Prąd nastawienia zabezpieczenia zwarciowego silnika powinien być jak najmniejszy — tak jednak, aby nie działać przy prądach szczytowych występujących w czasie normalnej pracy i przy rozruchu silnika.

      Wyzwalacze lub przekaźniki elektromagnetyczne stanowiące zabezpieczenie zwarciowe silnika nastawia się na prąd: 

 I_we ≤ 1,2 ·I_rsmax , 

gdzie: I_rsmax — największy prąd rozruchowy silnika.

      Jako zabezpieczenie przeciążeniowe silników o napięciu do 1 kV stosuje się wyzwalacze lub przekaźniki cieplne oraz czujniki temperatury. Dla silników o napięciu znamionowym ponad 1 kV stosuje się zabezpieczenie nadprądowe zwłoczne.

      Zabezpieczenia zwarciowe silnika powinny być stosowane w trzech fazach w układach trójfazowych, natomiast w układach prądu stałego w dwu lub jednym biegunie, jeżeli drugi jest uziemiony. Nie należy stosować zabezpieczeń zwarciowych w obwodach wzbudzenia.

      Każdy silnik powinien mieć zabezpieczenie zwarciowe oddzielne. Dopuszcza się zabezpieczenie zwarciowe wspólne dla grupy silników, tak dobrane, aby w przypadku zwarcia w jednym z silników zadziałało zabezpieczenie grupowe. Zabezpieczenia przeciążeniowe powinien posiadać każdy silnik za wyjątkiem:

— silników o prądzie znamionowym mniejszym niż 4 A,

— silników o mocy nie przekraczającej 10 kW dla pracy ciągłej, których przeciążenie jest mało

    prawdopodobne

    (pompy, wentylatory),

— silników stanowiących zespół z transformatorem posiadającym własne zabezpieczenie,

— silników do pracy przerywanej, których zabezpieczenie czujnikami temperatury nie jest

    gospodarczo uzasadnione.

      W układach trójfazowych z uziemionym punktem neutralnym zabezpieczenia przeciążeniowe stosuje się w 3 fazach, bez uziemionego punktu naturalnego w 2 fazach.  Zabezpieczenia przeciążeniowe nastawia się na prąd nie większy niż 1,1 I_ns.

      Zabezpieczenie od nadmiernego obniżenia się napięcia realizowane jest jako ponadnapięciowe zwłoczne jedno - lub dwufazowe. Zabezpieczenie to należy stosować, gdy:

— obniżenie napięcia uniemożliwia pracę silnika,

— niepożądany jest samorozruch silnika zwartego,

— niedopuszczalny jest samorozruch silnika pierścieniowego,

— wskazane jest odłączenie pewnej liczby mniej ważnych silników w celu zabezpieczenia

    samorozruchu innym silnikom.

       Układ dwóch przekaźników podnapięciowych włączonych na napięcia międzyprzewodowe jest  stosowany do zabezpieczenia grupy silników lub silnika o dużej ważności z punktu widzenia procesu technologicznego. Układ z jednym przekaźnikiem podnapięciowym należy stosować do zabezpieczania pojedynczych silników o mniejszym znaczeniu.