2. Trjfazowe silniki prdu przemiennegoPierwszy silnik elektryczny by jednostk prdu staego, zbudowan w 1833. Regulacja prdkoci tego silnika bya prosta i speniaa wymagania wielu rnych aplikacji i ukadw napdowych. W 1889 zbudowano pierwszy silnik prdu przemiennego. Bardziej prosty i dynamiczny ni silnik prdu staego, trjfazowe silniki miay natomiast ograniczon regulacj prdkoci i charakterystyki momentu. Dlatego te przez wiele lat, silniki te nie mogy by zastosowane w skomplikowanych oraz specjalistycznych napdach. Trjfazowe silniki prdu przemiennego s elektromagnetycznymi przemiennikami energii zamieniajcymi energi elektryczn na energi mechaniczn (praca silnikowa) i odwrotnie (praca prdnicowa) zgodnie z prawami indukcji elektromagnetycznej. Zasad indukcji elektromagnetycznej mona przedstawi na przykadzie przewodu poruszajcego si w polu magnetycznym B, ruch ten powoduje indukowanie si siy elektromotorycznej SEM. Jeeli przewd znajduje si w zamknitym obwodzie, to popynie prd I. Kiedy przewd znajduje si w ruchu, dziaa na niego sia F, ktra jest prostopadle skierowana do kierunku pola magnetycznego. !"Podstawy indukcji elektromagnetycznej: a) Zasada pracy generatorowej (indukcja rozumiana jako wynik ruchu) Podstawowa zasada mwi, e przewd poruszajcy si w polu magnetycznym indukuje napicie, rys. 2.01a. b) Zasada pracy silnikowej W silnikach elektrycznych prdu przemiennego przewd, w ktrym pynie prd jest umieszczany w polu magnetycznym, wtedy na przewd zaczyna dziaa sia F wypychajca przewd poza pole magnetyczne, ktra powodujce ruch przewodu w polu magnetycznym.

a) Zasada dziaania generatora. Rys. 2.01 Zasada indukcji elektromagnetycznej.

b) Zasada dziaania silnika.

W czasie pracy silnikowej pole magnetyczne i prd pyncy w przewodach uzwoje powoduj ruch jego wirnika, rys. 2.01b.ROZDZIA 2: SILNIKI TRJFAZOWE

7

Pole magnetyczne silnika, generowane w uzwojeniu stojana oddziaywuje poprzez siy elektromagnetyczne na wirnik powodujc jego ruch. Silniki trjfazowe prdu przemiennego mona podzieli na dwie gwne grupy: silniki asynchroniczne i silniki synchroniczne. W obu typach silnikw zasada pracy stojana jest taka sama, ale wykonanie wirnika i jego ruch w stosunku do pola magnetycznego jest rny. W silniku synchronicznym prdko wirowania wirnika i pola magnetycznego s takie same, a w silniku asynchronicznym prdkoci te s rne.

Rys. 2.02 Rodzaje trjfazowych silnikw prdu przemiennego.

8

ROZDZIA 2: SILNIKI TRJFAZOWE

2.1 Silnik asynchronicznySilniki asynchroniczne s najbardziej rozpowszechnione i nie wymagaj praktycznie adnej konserwacji. Z punktu widzenia napdu ukadw mechanicznych, s one najszerzej stosowane, poniewa najatwiej dobra odpowiedni silnik do rnych zastosowa. Jest wiele rodzajw silnikw asynchronicznych, dziaajcych na tej samej zasadzie. Gwnymi elementami silnika asynchronicznego s stojan i wirnik.

2.1.1 Stojan

Rys. 2.03 Budowa silnika asynchronicznego.

Stojan jest nieruchom czci silnika. Silnik skada si z obudowy (1), oysk kulkowych (2) podpory wirnika (9), uoyskowania (3) dla umiejscowienia oysk w kocowej czci obudowy stojana silnika, wentylatora (4) dla chodzenia silnika i osony wentylatora (5) jako ochrony przed obracajcym si wentylatorem. Skrzynka podczeniowa z zaciskami elektrycznymi (6) jest umiejscowiona na obudowie stojana silnika. Rdze stojana (7) moe by zbudowany z blach ferromagnetycznych o gruboci (0,3 do 0,5 mm) podzielonych na sekcje. Te sekcje odizolowane od siebie stanowi trzy uzwojenia fazowe stojana. Uzwojenia fazowe i rdze stojana indukuj wirujce pole magnetyczne. Liczba par biegunw (lub biegunw) okrela prdko wirowania pola magnetycznego. Jeeli silnik jest zasilany napiciem o okrelonej czstotliwoci, to prdko wirowania pola magnetycznego nazywana jest prdkoci synchroniczn silnika n0.Tabela. 2.01 Liczba par biegunw - p, liczba biegunw i prdko synchroniczna silnika. Liczba par biegunw 1 2 3 4 6 Liczba biegunw 2 4 6 8 12 n0 [1/min] 3000 1500 1000 750 500

ROZDZIA 2: SILNIKI TRJFAZOWE

9

2.1.2 Pole magnetyczne silnikaPole magnetyczne indukuje si w szczelinie powietrznej midzy stojanem i wirnikiem. Po doczeniu uzwojenia fazowego do zasilania indukuje si w silniku pole magnetyczne.

Rys. 2.04 Zmienne pole magnetyczne silnika po doczeniu jednej fazy.

Pooenie pola magnetycznego w rdzeniu stojana jest stae, ale jego kierunek wirowania zmienia si. Prdko, przy ktrej wystpuje zmiana kierunku wirowania jest okrelona przez czstotliwo napicia zasilania. Przy czstotliwoci 50Hz kierunek wirowania zmienia si 50 razy na sekund. Jeeli dwa uzwojenia s poczone do odpowiedniej fazy w tym samym czasie, to indukuj dwa pola magnetyczne w stojanie. W silniku dwubiegunowym, istnieje wwczas przesunicie o 120 stopni midzy tymi dwoma polami. Wartoci amplitudy tych pl s te przesunite w czasie. Powoduje to indukowanie wirujcego pola magnetycznego w stojanie. Pole to jest niesymetryczne dopki nie podczymy trzeciej fazy.

Rys. 2.05 Niesymetryczne wirujce pole magnetyczne silnika po dwch faz.

Trzy fazy generuj trzy pola magnetyczne w stojanie, ktre s przesunite o 120 stopni wzgldem siebie.

10

ROZDZIA 2: SILNIKI TRJFAZOWE

Rys. 2.06 Symetryczne pole magnetyczne silnika po doczeniu trzech faz.

Gdy podczymy uzwojenia stojana do trjfazowego napicia zasilania to pola magnetyczne od poszczeglnych uzwoje wytworz wirujce symetryczne pole magnetyczne, nazywane wirujcym polem magnetycznym silnika. Amplituda wirujcego pola jest staa i 1,5 razy wiksza od amplitudy pola pojedynczego uzwojenia. Prdko wirowania tego pola wyraa si nastpujcym wzorem: n0 =gdzie: f n0 p czstotliwo prdko synchroniczna liczba par biegunw

(60 * f ) p

[1/min.]

Jak wynika z powyszego wzoru prdko synchroniczna silnika zaley od liczby par biegunw p i czstotliwoci f napicia zasilania. Rys. 2.07 przedstawia wykres wektorowy strumienia pola magnetycznego w trzech rnych okresach.

Rys. 2.07 Wykresy wektorowe strumienia pola magnetycznego silnika w rnych okresach amplituda tego pola jest staa.

Odwzorowaniem wirujcego pola jest wektor o odpowiedniej prdkoci wirowania, ktry zakrela okrg. Jako funkcja czasu w ukadzie wsprzdnych, wirujce pole ma ksztat sinusoidy. Wirujce pole staje si przebiegiem o ksztacie elipsy, jeeli amplituda strumienia zmienia si w czasie wirowania wau silnika.

ROZDZIA 2: SILNIKI TRJFAZOWE

11

2.1.3 Wirnik silnika asynchronicznegoWirnik (9) jest zamocowany na wale silnika (10), rys. 2.03. Wirnik, podobnie jak stojan, wykonany jest zwykle z cienkich blach ferromagnetycznych. Ze wzgldu na dwa rodzaje wirnikw rozrniamy dwa typy silnikw - silnik piercieniowy i silnik klatkowy. Wirniki silnikw piercieniowych maj tak jak stojan uzwojenia umieszczone w obkach, w ktrych uzwojenie kadej fazy jest poczone z piercieniem lizgowym. Po zwarciu piercieni, silnik bdzie pracowa jako silnik klatkowy. Silniki klatkowe maj uzwojenia w postaci aluminiowych prtw i do tych prtw mocuje si piercienie aluminiowe (powstaje co w rodzaju klatki). Silnik klatkowy jest czciej uywany ni silnik piercieniowy. Obydwa silniki pracuj na tej samej zasadzie. W niniejszej ksice bdzie opisywany tylko silnik klatkowy. Kiedy klatka jest umieszczona w wirujcym polu magnetycznym, strumie przecina prt klatki wirnika. Strumie magnetyczny wywoa przepyw prdu wzbudzenia Iw w klatce wirnika, co spowoduje powstanie siy F, rys. 2.08 i 2.09.

Rys. 2.08 Pole wirujce w wirniku silnika klatkowego.

Sia ta jest okrelona przez warto indukcji B, prd wzbudzenia Iw, dugo l wirnika i kt midzy si i indukcj. F = B * Iw * l * sin Jeeli kt jest rwny 900, to F = B * Iw * l Nastpny biegun ma przeciwn polaryzacj, powoduje to zmian kierunku przepywu prdu. Poniewa kierunek pola magnetycznego take si zmienia, kierunek dziaania siy F nie ulega zmianie, rys. 2.09.

12

ROZDZIA 2: SILNIKI TRJFAZOWE

Rys. 2.09 Wykres wektorowy indukcji magnetycznej w prcie klatki wirnika.

Kiedy cay wirnik znajduje si w wirujcym polu, rys. 2.09c, prty klatki wirnika s poddawane dziaaniu si, ktre obracaj wirnik. Prdko wirowania wirnika (2) nie jest rwna prdkoci wirowania pola (1). Jeeli te prdkoci byyby rwne to w prtach klatki nie bd indukowa si adne prdy.

2.1.4 Polizg, moment i prdkoW czasie normalnej pracy silnika prdko wirnika n jest nisza ni prdko wirujcego pola magnetycznego n0, a polizg s jest rnic pomidzy prdkoci wirujcego pola magnetycznego i prdkoci wirnika: no =gdzie: p liczba par biegunw

(60 * f ) p

[1/min.]

Bezwzgldny polizg silnika czsto wyraany jest w procentach prdkoci synchronicznej i zwykle zawiera si w przedziale 4 - 11 procent. s = n0 - n s= no n *100 [%] no

Indukcja magnetyczna B zalena jest od strumienia magnetycznego pyncego przez przekrj poprzeczny A uzwoje klatki wirnika. Przeksztacajc wzr okrelajcy indukcj B mona wyznaczy si F. F=

* Iw *l A

F * Iw Sia F jest proporcjonalna do strumienia magnetycznego i prdu wzbudzenia Iw pyncego w przewodzie. W klatce wirnika, pod wpywem pola magnetycznego indukuje si SEM. Sia elektromotoryczna SEM powoduje przepyw prdu wzbudzenia Iw w klatce wirnika. Pod wpywem tego prdu w klatce wirnika powstaj siy, ktre powoduj pojawienie si momentu M na wale silnika.

ROZDZIA 2: SILNIKI TRJFAZOWE

13

Rys. 2.10 Charakterystyka momentu silnika asynchronicznego - sia x dugo ramienia.

Na zaleno midzy momentem i prdkoci silnika duy wpyw ma budowa klatki wirnika. Moment na wale silnika jest wynikiem dziaania si, ktre powoduj ruch wau silnika. Przykadowo: sia ta powstaje na kole zamachowym przymocowanym do wau. Moment ten jest zaleny od siy F i promienia r koa zamachowego. M=F*r Praca wykonywana przez silnik jest wyraana wzorem: W=F*dgdzie d - odlego na jak silnik przenis dan mas, n - liczba obrotw

d=n*2**r Praca moe by wyraona rwnie jako iloczyn mocy i czasu: W=P*t M = F *r = M = 9550 W P *t *r *r = d n * 2 * r P n (t = 60 sek .)

Na podstawie powyszych wzorw mona obliczy moment. Wyej przedstawiony wzr przedstawia zaleno midzy prdkoci n [obr/min], momentem M [Nm] oraz moc silnika P [kW]. Dziki powyszym wzorom na n, M i P mona przedstawi prdko, moment i moc w jednostkach wzgldnych nr, Mr i Pr. Dziki temu mona opisa punkt pracy silnika w stosunku do jego danych znamionowych zgodnie z poniszymi wzorami: Mr = Mr = M Mn Pr , nr gdzie Pr = P Pn Pr = M r * nr nr = n nn

14

ROZDZIA 2: SILNIKI TRJFAZOWE

Przy obliczeniach w jednostkach wzgldnych nie wystpuje staa warto liczbowa 9550. #"Przykad: Obcienie = 15% wartoci znamionowej, prdko = 50% wartoci znamionowej. Moc =7,5% mocy znamionowej, wtedy moc w jednostkach wzgldnych mona wyznaczy jako: Pr = 0,15 * 0,50 = 0,075. W zakresie normalnej pracy silnika wystpuj dwa zakresy hamowania.

Rys. 2.11 Charakterystyki przebiegu prdu i momentu silnika asynchronicznego.

W przedziale n/no>1, gdzie wa silnika obraca si z prdkoci powyej prdkoci synchronicznej silnik dziaa jak generator tworzc przeciwny moment hamujcy i oddajc w tym czasie energi do sieci zasilania. W przedziale prdkoci silnika n/no