1. Budowa maszyn indukcyjnych.
Maszyny indukcyjne asynchroniczne bezkomutatorowe są to w większości maszyny 3-fazowe. Moce budowanych obecnie silników mają zakres od kilku kilowatów do kilku megawatów. Silniki te buduje się na napięcia rzędu od 100V do 6,10 a nawet 15 kV.
Maszyny indukcyjne należą do maszyn asynchronicznych gdyż przy zmianach obciążenia stosunek prędkości wirowania wirnika do częstotliwości napięcia zasilającego jest wielkością zmienną. Ze względu na sposób wykonania wirnika rozróżniamy dwa typy maszyn: a) pierścieniowe, b) klatkowe (jest on prosty w budowie i tani) –( rys.1).
Podstawowymi częściami maszyny elektrycznej wirującej jest: stojan (stator)-część nieruchoma maszyny i wirnik (rotor)-część ruchoma maszyny – (rys.2). W zależności od roli jaka spełniają w procesie przetwarzania energii te dwie podstawowe części nazywamy: twornikiem (j.t. stojan lub wirnik) do którego doprowadzamy energię elektryczną do przetworzenia w maszynie, albo od której odprowadza się energię elektryczną przetworzoną w maszynie. Magneśnica (induktor) – j.t. część maszyny elektrycznej służąca do wytwarzania strumienia magnetycznego, ale w której nie następuje przetworzenie energii.
Rdzenie obwodu magnetycznego stojana i wirnika wykonuje się jako pakiety blach twornikowych o grubości 0,5 mm wzajemnie od siebie odizolowanych za pomocą cienkiej warstwy papieru, lub lakieru dla ograniczenia strat w stali. Blachom tym nadaje się wymagany kształt za pomocą odpowiednich wykrojników. W maszynach o dużych średnicach ( do kilku metrów ) blacha pakietu stojana składa się z segmentów w których pojedyncze żłobki wycina się na żłobkarkach. Blachy maszyn małych średnich można wykrawać w całości. W celu zmniejszenia pulsacji strumienia liczby żłobków w stojanie i w wirniku powinny być różne. Na pulsację tą wpływa również łagodząco skośne względem osi wirnika wykonanie żłobków (poprawia to też cichobieżną pracę maszyny).
Pakiet blach stojana umieszcza się w obudowie wykonanej jako odlew żeliwny lub konstrukcję spawaną, a w mniejszych przypadkach jako odlew siluminowy. Pakiet blach wirnika osadza się bezpośrednio na wale, lub w większych przypadkach maszyn na piaście. Szczelina miedzy stojanem i wirnikiem powinna być ze względów elektrycznych możliwie jak najmniejsza, gdyż przy grubej szczelinie występuje duży prąd biegu jałowego i pogarsza się współczynnik mocy maszyny. Szczelinę wykonuje się tak cienką jak na to pozwalają względy mechaniczne tzn.: dokładność obróbki i montażu, strzałka ugięcia wału, rozszerzalność termiczna. Wymiar jej zależy wiec od średnicy i długości maszyny. W najmniejszych maszynach wynosi ona 0,2-0,3 mm, a w średnich i dużych dochodzi do kilku milimetrów.
Łożyska umieszcza się w tarczach łożyskowych przymocowanych do obudowy, lub w dużych maszynach na oddzielnych stojakach umocowanych na płycie fundamentowej maszyny. W maszynach małych i średnich mocy stosujemy łożyska toczne, a w maszynach dużych mocy łożyska ślizgowe.
Uzwojenie stojana maszyny 3-fazowej łączy się w gwiazdę, lub w trójkąt. Aby umożliwić uzyskanie tych połączeń wyprowadza się na tabliczkę zaciskową sześć końcówek (3 początki i 3 końce ). Na tabliczce znamionowej takiego silnika podawane są wtedy dwa napięcia np.: 380/220 V, co oznacza ze jest możliwość połączenia w gwiazdę (wyższe napięcie ), lub w trójkąt (niższe napięcie ). Przy obu połączeniach silnik pracuje w tych samych warunkach gdyż niezależnie od układu napięcie każdej fazy uzwojenia jest takie samo ( dla pracy przy jednym napięciu wyprowadza się tylko 3 zaciski tworząc układ za pomocą stałych połączeń wewnątrz maszyny ).
Uzwojenie klatkowe składa się z prętów materiału przewodowego (miedz, aluminium, lub stopy miedzi) połączonych obustronnie pierścieniami zwierającymi. Najczęściej stosowanym uzwojeniem klatkowym jest uzwojenie aluminiowe odlewane w całości. Nazwę „klatkowe” uzyskało gdyż przypomina ono klatkę – (rys.3). W teorii maszyn elektrycznych przyjmuje się , ze uzwojenie klatkowe jest m2-fazowe przy czym liczba faz jest równa liczbie prętów klatki. W tym przypadku role wentylatora pełnią odpowiednio do tego przystosowane łopatki klatki.
W związku z rodzajem obudowy są różne sposoby wietrzenia silnika. Są silniki bez wentylatorów jak i z wentylatorami. Wentylatory otrzymują napęd z silnika, lub z osobnego silnika napędowego.
2. Zasada działania i poślizg.
Maszyna indukcyjna działa na zasadzie indukcji elektromagnetycznej, zgodnie z którą w uzwojeniach tworzą się siły elektromotoryczne na skutek zmian strumienia magnetycznego w czasie. Obwód magnetyczny maszyny, obejmujący stojan i wirnik musi być wykonany z blach o małej stratności na histerezę i prądy wirowe. Pod wpływem napięcia zasilającego U1 przez 3-fazowe uzwojenie stojana przepływa prąd I1 wytwarzający pole magnetyczne kołowe, które wirując indukuje w uzwojeniach stojana siłę elektromotoryczną. Prędkość obrotowa n1 (wzór 2.1) tego pola zależy od częstotliwości f1 prądu zasilania i liczby par biegunów p uzwojenia ( a zarazem pola ).
n1= (2.1)
Prędkość tą nazywamy prędkością synchroniczną. SEM E1 indukowana w uzwojeniu stojana przeciwdziała przepływowi prądu, a jej zwrot jest przeciwny niż napięcia zasilającego. Różnica między napięciem zasilającym a SEM jest równa stracie napięcia na rezystancji oraz reaktancji rozproszenia uzwojenia stojana. Równanie napięciowe dla uzwojenia pierwotnego ma postać:
U1=E1+(R1+jXr1)I1 (2.2)
gdzie:
R1-rezystancja 1-fazy uzwojenia stojana
Xr1-reaktancja rozproszenia 1-fazy uzwojenia stojana
Pole wirujące przecina boki uzwojenia stojana z częstotliwością narzuconą przez sieć zasilającą, zatem częstotliwość SEM indukowanej w uzwojeniu stojana jest równa częstotliwości napięcia zasilającego. Wartość skuteczną SEM indukowaną w uzwojeniu stojana opisuje wzór:
E1=4,44z1k1f1j (2.3)
z1-liczba szeregowo połączonych zwojów uzwojenia stojana
k1-współczunnik uzwojenia stojana
f1-częstotliwość napięcia sieci zasilającej
W polu wirującym stojana znajduje się wirnik. W żłobkach na obwodzie wirnika umieszcza się pręty miedziane, lub aluminiowe zwarte po obu stronach wirnika. W tym stanie ( n=0 ) pole wiruje względem wirnika z prędkością synchroniczną n1. Wskutek przecinania prętów wirnika przez linie pola magnetycznego indukuje się w nich napięcie i płynie w nich prąd, czyli wytworzona SEM ma częstotliwość równą częstotliwości SEM w stojanie. O wartości napięcia indukowanego w prętach wirnika i o wartości płynącego w nich prądu decyduje prędkość przecinania tych prętów przez linie pola magnetycznego. Im ona jest większa, tym większą wartość mają indukowane napięcia i prądy. Zwrot prądu można określić na podstawie reguły prawej dłoni.
Prąd wirnika I2 płynący pod wpływem indukowanej SEM wywołuje siłę elektrodynamiczną F która na ramieniu równym wirnika wytwarza moment elektromagnetyczny. Jeżeli moment ten osiąga wartość większą niż moment obciążenia Mn pochodzący od przyłączonej maszyny roboczej i tarcia to wirnik rusza i zwiększa się jego prędkość obrotowa. Przyspieszenie wirnika będzie trwało tak długo, jak długo moment elektromagnetyczny Me będzie większy niż Mn. Ze zwiększeniem się prędkości wirowania wirnika napięcie indukowane i prąd w prętach wirnika maleje, w następstwie czego maleje Me działający na wirnik. Zgodnie z regułą lewej dłoni zwrot F i moment jest taki że wprawia wirnik w ruch obrotowy zgodny z kierunkiem wirowania pola magnetycznego. Wirnik obraca się gdyż podąża za obracającym się polem stojana i wiruje w kierunku wirowania tego pola, dążąc do osiągnięcia prędkości synchronicznej. Gdyby osiągnął ją istotnie ustałoby przecinanie prętów wirnika przez pole stojana i nie indukowałoby się w nich napięcie więc nie popłynąłby prąd i nie powstałby moment elektromagnetyczny.
Poślizgiem w maszynie asynchronicznej nazywamy prędkość względną (różnica prędkości przy zgodnym kierunku wirowania pola i wirnika, a suma ich przy kierunku niezgodnym) pola wirującego względem wirnika odniesioną do prędkości synchronicznej, co opisuje wzór:
s = (2.4)
dla obliczeń procentowych ( % ) wzór (2.4) ten przyjmuje postać:
s = (2.5)
Np. jeżeli moment oporowy obciążenia na wale silnika wzrośnie jego prędkość n obniży się i poślizg s wzrośnie. Konsekwencją jest wzrost SEM i prądu wirnika, tym samym wzrasta moment obrotowy, który równoważy moment obciążenia. Odwrotnie się dzieje gdy zmniejszamy obciążenie.
Poślizg ma dwie charakterystyczne wartości:
a ) przy nieruchomym wirniku ( n=0 ) s == 1
b ) przy prędkości wirnika równej synchronicznej ( n=n1 ) s =
Przy poślizgu w zakresie 0 < s < 1 maszyna indukcyjna jest silnikiem, a w zakresie 0 > s > -¥ maszyna jest prądnicą – (rys.4).
3 . Silniki głębokożłobkowe i dwuklatkowe.
W maszynach prądu przemiennego stosuje się żłobki: otwarte, półotwarte i pół zamknięte – (rys.5). Żłobki otwarte pozwalają prosto układać zezwoje o wyrobionym już kształcie izolowane z zewnątrz maszyny. Stosuje się je w maszynach wysokiego napięcia. Żłóbki półotwarte pozwalają układać pręty o dość dużych przekrojach, a pół zamknięte stosuje się gdy wsypuje w uzwojenia maszyn małej mocy i niskiego napięcia ( do 500 V ), mają one okrągłe przewody o małych przekrojach. W silniku klatkowym obwodem elektrycznym silnika jest klatka. Można ją wykonać z prętów miedzianych, mosiężnych, lub brązowych lecz najczęściej wykonuje ją się jako odlew aluminiowy. Żłobkom wirnika nadaje się różne kształty ( jak omówiono wyżej ) – (rys.6), co ma wpływ na właściwości ruchowe maszyny.
Na – (rys.7A) mamy przykład głębokiego żłobka tzn. takiego w którym stosunek szerokości b do wysokości h jest rzędu 1:10. Ponieważ na przebieg zjawisk w takim wypadku w silniku ma istotny wpływ strumień rozproszenia żłobkowego rozpatrzmy jego przykład. W tym celu dzielimy przekrój pręta klatki na równoległe warstwy o równych przekrojach ułożone nad sobą i wyznaczamy przebieg linii pola rozproszenia żłobkowego wytworzonego przez strugi prądu płynącego w poszczególnych warstwach. Obraz pola wytworzonego przez warstwę 1 najniżej położoną jest na – (rys.7B), a przez jedną warstwę k leżącą w górnej części żłobka jest na – (rys.7C). Rozpatrując tak samo każdą warstwę otrzyma w rezultacie obraz wypadkowy pola rozproszenia. Przedstawiony przebieg pola rozproszenia uległ by radykalnej zmianie gdyby żłobek był całkowicie zamknięty. Istota omawianego tu zagadnienia związana jest z nie symetrią ośrodka w którym umieszczony jest pręt klatki. Ponieważ do oceny zjawisk należy znać reaktancję rozproszenia poszczególnych warstw, zatem ustalamy zależność między wartością tej reaktancji a położeniem warstwy w żłobku. Strumień rozproszenia żłobkowego przechodzi przez zęby oraz przez rdzeń wirnika i zamyka się przez żłobek. Ponieważ w żłobku znajduje się materiał o małej permanencji ( np. aluminium ) w porównaniu z żelazem zatem o wartości permanencji całego obwodu strumienia rozproszenia decyduje permanencja drogi w żłobku.
Permanencja warstwy 1 ( dolnej ):
L1»m » ch1 (3.1)
Permanencja warstwy k ( górnej ):
L2 » m » chk (3.2)
- gdzie l oznacza długość rdzenia wirnika. Z wzorów (3.1) i (3.2) wynika, że permanencja drogi strumienia rozproszenia jest największa dla warstwy najgłębiej położonej w żłobku i maleje dla warstw leżących coraz bliżej otwartej części żłobka –(rys.7D). W ten sam sposób zmienia się też reaktancja rozproszenia żłobkowego poszczególnych warstw, gdyż:
Xk = Lk w2 » c Lk f2 (3.3)
Wiedząc o tym widzimy rozkład gęstości prądu wzdłuż wysokości pręta. Wartość prądu płynącego w poszczególnych warstwach zależy od indukowanego napięcia i impedancji tej warstwy. Ponieważ we wszystkich warstwach napięcie indukowane przez strumień główny jest równe zatem o rozpływie prądu decyduje impedancja warstw. Gdy wirnik maszyny jest nieruchomy ( s = 1 ) wówczas częstotliwość f2 w jego obwodzie jest wielokrotnie większa ( f2 = f1s ) niż częstotliwość występująca przy pracy znamionowej. O wartości impedancji z2 poszczególnych warstw pręta decyduje zatem: przy postoju, lub małej prędkości obrotowej reaktancja (Xs2 >> R2); przy prędkości zbliżonej do znamionowej reaktancję indukcyjną można praktycznie pominąć wobec rezystancji R2 ( Xs2<< R2). W wyniku takiej oceny widzimy, że przy postoju silnika przez warstwy głębiej położone w żłobku płynie znikomo mały prąd, a przez warstwy górne duży prąd. Rozkład gęstości prądów w tych warunkach przedstawia – (rys.7E). Widzimy więc wyraźne wypieranie strug prądu ku górnym warstwom żłobka. Zjawisko to znamy pod nazwą zjawiska naskórkowości. Przy prędkościach wirnika zbliżonych do prędkości znamionowej o rozpływie prądu decyduje prawie wyłącznie rezystancja i dlatego gęstość prądu jest praktycznie taka sama na całej wysokości pręta. Zjawisko to zostało wykorzystane przy rozruchu silnika głębokożłobkowego. Jeżeli w początkowym okresie rozruchu prąd płynie wyłącznie przez górne warstwy pręta w głębokim żłobku to oznacza wzrost rezystancji R2 ze względu na znaczne zmniejszenie się czynnej części przekroju pręta. Wzrost rezystancji wpływa na wzrost momentu rozruchowego jak i na zmniejszenie prądu rozruchowego. W miarę wzrastania prędkości rozkład gęstości prądu staje się coraz bardziej równomierny więc coraz większy przekrój pręta przewodzi prąd, a rezystancja R2 stopniowo maleje osiągając przy prędkości znamionowej wartość występującą praktycznie przy przepływie prądu stałego. Taki przebieg zjawiska jest równoznaczny z włączeniem dodatkowej rezystancji w obwód uzwojenia wirnika w chwili uruchamiania i stopniowym samoczynnym zmniejszaniu tej rezystancji w miarę wzrastania prędkości. Dlatego też właściwości rozruchowe silnika głęboko żłobkowego są bardzo podobne do występujących przy rozruchu silnika pierścieniowego za pomocą rozrusznika. Typowy silnik głębokożłobkowy oznacza się powiększonym momentem rozruchowym – (rys.8A). Początkowy moment rozruchowy silnika głębokożłobkowego może być większy niż moment znamionowy i w typowych rozwiązaniach osiąga wartość Mr » 1,2.....1,6.
Z tego względu silniki te nadają się do pracy w ciężkich warunkach rozruchowych ( np. urządzenia dźwigowe i transportowe ). Wartość początkowego prądu rozruchowego nie przekracza zwykle 4....5 krotnej wartości prądu znamionowego – (rys.8A). Zaletą silnika głębokożłobkowego jest to, że mając właściwości rozruchowe jak silnik pierścieniowy jest od niego tańszy i prostszy w budowie.
Z – (rys.8B). na którym są charakterystyki mechaniczne silnika pierścieniowego, klatkowego normalnej budowy i klatkowego głębokożłobkowego widać że silniki te mocno różnią się od siebie wartościami momentów rozruchowych. W silniku klatkowym normalnej budowy staramy się powiększyć moment rozruchowy przez zwiększenie rezystancji obwodu wirnika. Wpływa to na zwiększenie poślizgu przy pracy znamionowej, wzrost strat w obwodzie wirnika (Pe = Pys) i zmniejszenie sprawności , ale za to umożliwia rozruch nawet przy stosunkowo znacznym obciążeniu.
Do silników klatkowych o szczególnych kształtach żłobków w wirniku zalicza się prócz silników głębokożłobkowych silniki dwuklatkowe i wieloklatkowe, o najrozmaitszych kształtach żłobków – (rys.9). Zjawiska występujące w silniku dwuklatkowym są podobne do tych występujących w silniku głębokożłobkowym. W przypadku dwu klatek – (rys.10), klatka zewnętrzna wykonana jest z prętów o znacznie mniejszym przekroju niż przekrój prętów klatki wewnętrznej ma zatem większą rezystancję. Badając podobnie jak poprzednio rozkład linii pola rozproszenia żłobkowego widzimy, że permeancja dróg linii strumieni rozproszenia klatki wewnętrznej jest znacznie większa ( Lw » c hw) niż klatki zewnętrznej ( Lz » c hz ) i dlatego reaktancje rozproszenia tych klatek są różne. Reaktancja indukcyjna klatki wewnętrznej jest znacznie większa niż reaktancja indukcyjna klatki zewnętrznej. Klatka wewnętrzna odpowiada więc dolnym warstwom pręta w przypadku głębokich żłobków.
W początkowym okresie rozruchu ( s » 1 ) silnika dwuklatkowego reaktancja klatki wewnętrznej jest tak duża że płynie przez nią znikomo mały prąd w porównaniu z tym który płynie w tych warunkach przez klatkę zewnętrzną o stosunkowo małej reaktancji, lecz dużej rezystancji. Przy wzroście prędkości obrotowej zanika dominujący wpływ reaktancji indukcyjnej w klatce wewnętrznej i rozkład prądów w klatkach zbliża się stopniowo do takiego jaki wynika z rezystancji obu klatek. Dlatego w początkowym stadium prąd płynie głównie przez klatkę zewnętrzną ( klatkę rozruchową ). W okresie pracy ( s » sn ) prąd płynie głównie w klatce wewnętrznej (klatce pracy ) – (rys.10).
Widać więc podobieństwo w działaniu silników głębokożłobkowego i klatkowego: w okresie rozruchu w sztuczny sposób zwiększa się rezystancja w obwodzie wirnika, dlatego moment rozruchowy wzrasta, a prąd rozruchowy maleje. Wzrostowi prędkości towarzyszy samoczynny zanik zjawiska wypierania prądu z klatki pracy, podobny w rezultacie do stopniowego wyłączania rezystancji rozrusznika w silniku pierścieniowym. Charakterystykę mechaniczną silnika dwuklatkowego przedstawia – (rys.11).
Klatkę wirnika 2-klatkowego maszyn małych i średnich wykonuje się jako odlew aluminiowy, a w dużych maszynach stosuje się pręty brązowe lub mosiężne dla klatki rozruchowej, miedziane dla klatki pracy. W tym przypadku pręty klatki są zwierane przez odrębne pierścienie zwierające, dzięki czemu w wyniku różnic nagrzewania się obu klatek przy rozruchu i pracy, pręty się odkształcają. Silniki te nadają się głównie do napędu maszyn przy dużym obciążeniu rozruchowym, np. w układach mających dużą liczbę włączeń w ciągu godziny.
4. Schemat zastępczy maszyny indukcyjnej.
Schemat ten sporządza się po sprowadzeniu procesu do stanu nieruchomego. Uzwojenie wtórne powinno być sprowadzone do pierwotnego. Sporządzenie schematu zastępczego jest możliwe tylko wtedy, gdy procesy w wirującym wirniku są określane dla stanu nieruchomego. W takim przypadku częstotliwość w wirniku jest równa częstotliwości stojana przy czym f2¹f1, jak i siła elektromotoryczna E2 są niezależne od poślizgu. Tylko wtedy można wyprowadzić połączenie galwaniczne obwodów wirnika i stojana (podobnie jak w schemacie zastępczym transformatora).
(Rys.12) dla maszyny asynchronicznej i (rys.13) dla silnika głębokożłobkowego i dwuklatkowego.
Poszczególne elementy schematu zastępczego maszyn asynchronicznych mają następujące wartości:
R1*=0,01 (4.1)
X1*=0,05¸0,15 (4.2)
ZM=2¸...
Automation_Engineering