POLITECHNIKA RADOMSKA
im. Kazimierza Pułaskiego
Wydział Transportu
PRACA INŻYNIERSKA
NOWE KONSTRUKCJE I ZASTOSOWANIA SILNIKÓW ASYNCHRONICZNYCH
Wykonał : Jacek Banaś
Promotor dr inż. Andrzej Szafraniec
RADOM 2005
Wstęp 3
Rozdział 1Budowa silników asynchronicznych 7
Rozdział 2Zasada działania silnika asynchronicznego. 13
Rozdział 3Wykorzystywanie silników elektrycznych w napędach. 18
3.1 Podział materiałów elektroizolacyjnych w odniesieniu do maszynelektrycznych 18
3.2 Rodzaje obudów silników elektrycznych 21
3.3 Silniki klatkowe energooszczędne 22
Rozdział 4 Obecnie produkowane silniki asynchroniczne. 28
4.1 Silniki klasyczne 33
4.2 Silniki specjalne 37
4.3 Silniki o wykonaniu morskim 38
4.4 Silniki energooszczędne 39
4.5 Silniki przeciwwybuchowe 42
4.6 Silniki trójfazowe do wbudowania i budowy otwartej 44
4.7 Silniki z chłodzeniem obcym 45
4.8 Silniki wielobiegowe 46
4.9 Silniki aluminiowe 47
Rozdział 5Kierunki rozwoju konstrukcji silników elektrycznych 50
5.1 Silniki o podwyższonej sprawności 51
5.2 Silniki asynchroniczne klatkowe synchronizowane momentem reluktancyjnym 55
Zakończenie 58
Literatura 59
Maszyny asynchroniczne (indukcyjne) mają prostą budowę i w związku z tym charakteryzują się duża pewnością ruchową, łatwością obsługi oraz niską ceną. Dzięki temu znalazły one szerokie zastosowanie, najczęściej jako silniki lub hamulce elektryczne, a rzadziej jako prądnice w małych elektrowniach. W specjalnych wykonaniach są stosowane jako przesuwniki fazowe, transformatory nastawne (regulatory indukcyjne), przetwornice częstotliwości, sprzęgła indukcyjne, serwomechanizmy.
Silniki asynchroniczne mają dobra właściwości eksploatacyjne i ruchowe. Ich charakterystyki można kształtować przez zmianę warunków zasilania i przez zmianę impedancji zewnętrznej przyłączanej do uzwojeń maszyny. Dlatego też są powszechnie stosowane w układach napędowych o regulowanej i nieregulowanej prędkości obrotowej,
Silniki asynchroniczne buduje się obecnie jako maszyny o mocach od kilku watów do kilku megawatów przy napięciach zasilających od 100 V do 15 kV.
Dominująca większość maszyn asynchronicznych pracuje jako silniki. Nierzadko jednak wykorzystujemy możliwość hamowania i generowania energii elektrycznej przez maszyny asynchroniczne: ta sama maszyna może pracować jako silnik, hamulec lub generator asynchroniczny.
Silnik indukcyjny trójfazowy klatkowy jest najbardziej rozpowszechnioną maszyną napędową, stosowaną we wszystkich gałęziach przemysłu. Szacuje się, że silniki te w krajach uprzemysłowionych zużywają 70 % wytworzonej energii. Za ich stosowaniem przemawiają takie walory, jak: niskie koszty wytwarzania, prosta budowa, niskie koszty eksploatacji w stosunku do innych rodzajów silników. Silnik ten posiada jednak szereg wad, które ujawniają się w trakcie eksploatacji. Wady te są widoczne w czasie pracy silnika przy niewielkim obciążeniu lub przy biegu jałowym. Do wad tych należą: stosunkowo duża wartość prądu jałowego oraz mały współczynnik przesunięcia fazowego (cos φ= 0,05 - 0,15) w stanie biegu jałowego.
Większość tych silników pracuje niedociążona i odznacza się niskimi wartościami wskaźników energetycznych (sprawność, współczynnik mocy) od których zależy oszczędność energii elektrycznej. Istotną wadą tego silnika jest duży prąd rozruchowy, który jest równy ustalonemu prądowi zwarcia. Może on osiągnąć wartości Ir = (3 ÷ 7) In. Moment rozruchowy jest na ogół mały, znacznie mniejszy niż moment znamionowy. Jest to wynikiem niskiej wartości współczynnika przesunięcia fazowego (cosφ = 0,1 - 0,2) oraz strumienia głównego. Z tych względów silniki asynchroniczne mają określone w instrukcjach eksploatacyjnych warunki rozruchu oraz dopuszczalną ich liczbę w ciągu godziny. Duży prąd pobierany w trakcie rozruchu jest szkodliwy nie tylko dla silnika ale powoduje znaczne spadki napięcia w sieci oraz znaczne zużycie energii. Konieczność oszczędzania energii zmusiła konstruktorów do projektowania silników indukcyjnych o podwyższonych wartościach wskaźników energetycznych. Wartości te powiększono m.in. przez zastosowanie lepszych blach o mniejszej stratności. W pracach informujących o tych silnikach podawane są obliczenia uzasadniające, że wzrost ceny tych silników jest rekompensowany w krótkim czasie oszczędnością energii elektrycznej. Podchodząc do zagadnienia od strony energetycznej można wyróżnić pięć grup strat występujących w silniku indukcyjnym:
1. Straty w uzwojeniu stojana. Straty te można zmniejszyć przez zwiększenie przekroju przewodów i maksymalnie możliwe zmniejszenie średniej długości zwoju.
2. Straty w rdzeniu stojana i wirnika. Są to straty związane z przemagnesowaniem (histerezowe). Najczęściej obniża się je przez zmniejszenie indukcji magnetycznej, co osiąga się przez wydłużenie pakietu blach. Niektóre firmy zwiększają długość pakietów stojana wirnika o 35%. Na skuteczność obniżenia strat mocy w blachach wirnika i stojana przez wydłużenie silnika ma również wpływ częstotliwość napięcia zasilającego. Jednakowe obniżenie strat wymaga mniejszego wydłużenia silnika przy częstotliwości 50 Hz niż przy częstotliwości 60 Hz., rzadziej stosuje się zmniejszanie grubości blach. Stosuje się również blachy o mniejszej stratności.
3. Straty w uzwojeniu wirnika. Straty te mają wpływ na przebieg charakterystyki mechanicznej silnika, więc niechętnie dokonuje się zmian w celu zmniejszenia tych strat, co nie oznacza, że się tego nie czyni.
4. Straty mechaniczne. Straty te pochodzą od tarcia i wentylacji. Są one zależne od prędkości obrotowej silnika a ponadto od staranności wykonania łożysk, ich smarowania oraz konstrukcji wentylatora.
5. Straty dodatkowe. Zależą od wielu czynników, m.in. od staranności procesu produkcyjnego.
Dążenie do zmniejszenia strat prowadzi do wzrostu sprawności silnika przy założeniu, że w procesie produkcyjnym nie powstaną dodatkowe straty. Jako przykład można tu wymienić straty mocy w rdzeniu. Straty te zależą nie tylko od właściwości blachy (stratność) ale również od procesu produkcyjnego (sposób wykrawania, pakietowania, mocowanie wykrojów). Niewłaściwy proces technologiczny może doprowadzić do tego, że straty w rdzeniu będą większe niż wynikające bezpośrednio ze stratności użytej blachy.
Przy projektowaniu silników niektóre wymagania są sprzeczne. Dążenie do zmniejszenia strat w uzwojeniu wirnika wiąże się ze zmniejszeniem rezystancji uzwojeń, co powoduje z kolei zmniejszenie momentu rozruchowego początkowego. Straty dodatkowe można zmniejszyć przez zwiększenie szczeliny powietrznej, a to z kolei pogarsza współczynnik przesunięcia fazowego. Znane są powiązania sprawności maszyny z jej cechami konstrukcyjnymi np. między mocą silnika a napięciem znamionowym. Silniki niskiego napięcia mają wyższą sprawność niż silniki tej samej mocy, ale o wyższym napięciu znamionowym.
Sprawność znamionowa zależy od napięcia zasilającego. Przy obciążeniu znamionowym - maleje przy obniżaniu napięcia, a w niewielkim stopniu rośnie przy napięciach wyższych od znamionowego. Z drugiej strony - przy wzroście napięcia powyżej znamionowego - maleje współczynnik przesunięcia fazowego. Sprawność zależy ponadto od znamionowej prędkości silnika. Dla silników o tej samej mocy sprawność rośnie ze wzrostem prędkości obrotowej. Przy tej samej prędkości sprawność rośnie ze wzrostem mocy silnika. Zastosowanie blach o małej stratności powoduje wzrost sprawności.
Poprawa sprawności silnika jest związana ze zwiększeniem jego wymiarów oraz większym zużyciem materiałów.
Obwód magnetyczny maszyny składa się z dwóch części: rdzenia stojana i rdzenia wirnika, oddzielonych od siebie szczeliną powietrzną. Szczelina powietrzna między stojanem a wirnikiem ma w małych maszynach grubość kilku dziesiątych milimetra, w dużych (powyżej 20 kW) 1 ¸ 3 mm.
Rys. 1.1. Budowa silnika indukcyjnego. 1 – wał, 2 – łożysko, 3 – tarcza łożyskowa, 4 – wentylator, 5 – uzwojenie stojana, 6 – tarcza dociskowa rdzenia stojana, 7 – rdzeń stojana, 8 – kadłub, 9 – rdzeń wirnika, 10 – tarcza dociskowa rdzenia wirnika, 11 – uzwojenie wirnika, 12 – obsada szczotkowa (na sworzniu szczotkowym), 13 – przyrząd do zwierania pierścieni i podnoszenia szczotek, 14 – pierścienie ślizgowe, 15 – pokrywa łożyskowa, 16 – tabliczka zaciskowa uzwojeń wirnika, 17 – tabliczka zaciskowa uzwojeń stojana.
Rdzenie stojana i wirnika są wykonane w formie pakietu blach izolowanych między sobą, najczęściej o grubości 0,5 mm; wirniki dużych maszyn indukcyjnych są wykonane z blach o grubości 1 ¸ 2 mm. Blachy o odpowiednim kształcie wykrawa się za pomocą wykrojników, przy czym w maszynach małej i średniej mocy wykrawa się całą blachę rdzenia, a w maszynach dużej mocy blacha najczęściej składa się z segmentów.
Na całym obwodzie rdzenia stojana i wirnika wycina się żłobki o określonym kształcie, w których umieszcza się uzwojenia. Elementy obwodu magnetycznego pomiędzy żłobkami noszą nazwę zębów.
Rdzeń stojana umieszcza się w kadłubie maszyny, natomiast rdzeń wirnika – w maszynach małej mocy na wale, a w dużych – na piaście. Kadłub maszyny jest odlewany z żeliwa lub spawany stalowy. Nie stanowi on części czynnej maszyny, nie przewodzi strumienia magnetycznego, lecz stanowi część konstrukcyjną.
Najczęściej stosowane silniki indukcyjne są zasilane z trójfazowej sieci prądu przemiennego. Silnik taki ma w stojanie uzwojenie trójfazowe, czyli trzy uzwojenia zwane fazami, które w czasie pracy są połączone w gwiazdę lub w trójkąt. W małych silnikach często stosuje się uzwojenia jednofazowe lub dwufazowe. Uzwojenia stojanów wykonuje się z drutu nawojowego izolowanego, dodatkowo są one impregnowane, by na skutek drgań nie uległy uszkodzeniu. Niezależnie od tego, uzwojenia te muszą być odizolowane od rdzenia odpowiednią izolacją żłobkową oraz muszą być zabezpieczone przed wypadaniem ze żłobka za pomocą klinów.
Uzwojenia wirników silników indukcyjnych mogą być wykonane podobnie jak w stojanie, z drutu nawojowego lub nieizolowanych prętów (miedzianych, aluminiowych, mosiężnych lub brązowych) o dużym przekroju, całkowicie wypełniających żłobek (najczęściej zamknięty lub półzamknięty). Wystające poza rdzeń części poszczególnych prętów połączone są ze sobą po obu stronach pierścieniami zwierającymi, tworząc wraz z prętami jakby klatkę, dlatego też silnik z takimi uzwojeniami wirnika nazywa się klatkowym lub zwartym, bo uzwojenie wirnika jest na stałe zwarte). Klatkę można traktować jako uzwojenie wielofazowe o liczbie faz równej liczbie prętów.
Rys. 1.2. Uzwojenie klatkowe.
Rys. 1.3. Wirniki silników indukcyjnych.
Jeżeli uzwojenie wirnika jest wykonane z drutu nawojowego, to istnieje możliwość dołączenia do obwodu wirnika dodatkowych elementów zwiększających rezystancję każdej fazy. Aby to było możliwe, uzwojenie wirnika jest połączone na stałe z pierścieniami ślizgowymi. Silnik z takim uzwojeniem wirnika nazywa się silnikiem indukcyjnym pierścieniowym.
Rys. 1.4. Połączenie silnika pierścieniowego.
Rys. 1.5. Działanie pierścieni ślizgowych.
Jeżeli dwa dowolne punkty uzwojeń wirnika (a i b na rys.1.5.) połączymy na stałe z dwoma pierścieniami ślizgowymi, osadzonymi na wale maszyny i przyłożymy do nich dwie nieruchome szczotki (A i B), połączone z obwodem zewnętrznym maszyny, to uzyskamy w ten sposób stałe połączenie elektryczne obwodu zewnętrznego z tymi punktami. W każdym położeniu wirnika obwód zewnętrzny maszyny łączy się przez szczotkę spoczywającą na pierścieniu ślizgowym z tym samym punktem uzwojenia i dlatego możemy uważać, że szczotka ślizgająca się po pierścieniu ślizgowym „sonduje” stale ten sam punkt uzwojenia. Jeżeli w uzwojeniu indukuje się napięcie przemienne, to w takt tych zmian zmienia się potencjał sondowanego punktu uzwojenia i dlatego pomiędzy szczotkami spoczywającymi na pierścieniach istnieje napięcie przemienne o takiej samej częstotliwości, z jaką zmienia się napięcie w uzwojeniu wirnika. Zjawisko to jest niezależne od położenia szczotek i dlatego przesuwanie ich po obwodzie pierścieni nie powoduje żadnych zmian. Liczba pierścieni ślizgowych zależy od liczby faz przyłączanego obwodu. Najczęściej spotyka się maszyny z trzema lub dwoma pierścieniami ślizgowymi.
Końcówki uzwojenia stojana i uzwojenia wirnika (tylko w przypadku silnika pierścieniowego) wyprowadza się na tabliczkę zaciskową, która jest umieszczona na kadłubie maszyny.
Kadłuby maszyn asynchronicznych wykonuje się jako odlewy (żeliwne lub ze stopów aluminium) albo jako konstrukcje spawane (w dużych maszynach). Do kadłuba przymocowane są śrubami tarcze łożyskowe lub stojaki łożyskowe, umieszczone na płycie posadowej maszyny. W tarczach lub stojakach są umieszczone łożyska toczne w przypadku maszyn małych lub łożyska ślizgowe w przypadku maszyn dużych. W maszynach pierścieniowych do jednej z tarcz łożyskowych (od strony napędowej) są przymocowane sworznie szczotkowe, a niekiedy urządzenia służące do podnoszenia szczotek i zwierania pierścieni ślizgowych wirnika.
Podsumowując można stwierdzić, że każda maszyna asynchroniczna składa się z trzech podstawowych elementów:
Rdzenia ferromagnetycznego, stanowiącego obwód magnetyczny maszyny (składający się z rdzenia stojana i rdzenia wirnika),
Uzwojenia stojana i wirnika, w których indukują się siły elektromotoryczne i płyną prądy,
Elementów konstrukcyjnych, stanowiących obudowę maszyny i umożliwiających ruch obrotowy wirnika oraz zapewniających odpowiednie chłodzenie maszyny i odpowiednią ochronę przed działaniem czynników zewnętrznych.
Porównując budowę silnika klatkowego i pierścieniowego należy stwierdzić, że silnik klatkowy jest prosty w budowie i tani, natomiast silnik pierścieniowy jest droższy, lecz wykazuje bogatsze własności ruchowe, ze względu na możliwość podłączenia urządzeń rozruchowych i regulacyjnych.
Wszystkie maszyny indukcyjne są zbudowane zgodnie z opisanymi wyżej zasadami (z wyjątkiem wykonań specjalnych). Jednak ze względu na różnorodność zastosowań i warunków pracy przyjmuje się różne rozwiązania konstrukcyjne. Dlatego też zewnętrznie maszyny mogą się znacznie różnić.
Zdecydowana większość maszyn indukcyjnych to maszyny trójfazowe.
Każda trójfazowa maszyna asynchroniczna składa się z nieruchomego stojana, w którym jest umieszczone zasilane uzwojenie trójfazowe, oraz wirnika z takim samym uzwojeniem (silnik pierścieniowy) lub z uzwojeniem klatkowym (zwartym).
Jeżeli uzwojenie stojana jest zasilane prądem trójfazowym, to powstaje wirujące z prędkością n1 pole magnetyczne pochodzące od uzwojenia ...
Automation_Engineering