Silnik elektryczny w agregacie prądotwórczym

Silniki elektryczne są jednymi z najbardziej rozpowszechnionych odbiorników energii elektrycznej. Powszechność ich występowania powoduje, że w wielu przypadkach muszą one posiadać możliwości zasilania ze źródeł awaryjnych, a w sporadycznych przypadkach również ze źródeł napięcia gwarantowanego.

Najpowszechniej stosowanymi silnikami elektrycznymi są silniki trójfazowe indukcyjne (asynchroniczne) oraz trójfazowe silniki synchroniczne. Stosowane są również silniki indukcyjne jednofazowe o niewielkich wartościach mocy przy napięciu zasilającym 230 V. Trójfazowe silniki indukcyjne i silniki synchroniczne produkowane są na napięcia 230 V; 400 V; 500 V oraz 6000 V. Moce dostępnych silników mieszczą się w przedziale od kilkunastu watów do kilku megawatów. Silniki niskiego napięcia budowane są do mocy 250 kW.

Podstawowymi parametrami charakteryzującymi silniki są:

  • Moc znamionowa,
  • Napięcie nominalne,
  • Współczynnik mocy,
  • Moment rozruchowy,
  • Prąd rozruchu.

Moc znamionowa silników jest to moc oddawana przez silnik, definiowana również jako moc mechaniczna na wale.

Silniki klatkowe

Silniki indukcyjne zwarte (klatkowe) posiadają najprostszą budowę spośród wszystkich silników elektrycznych. Prosta jest również eksploatacja co spowodowało, że są one powszechnie stosowane w różnych układach napędowych.

Prędkość obrotową w tych silnikach można wyrazić następującym wzorem:

N=60 x f x (1-s)/p

Gdzie:

f- częstotliwość napięcia zasilającego [Hz],

s – liczba par biegunów silnika [Hz],

s – poślizg

Prędkość ta różni się od prędkości synchronicznej pola wirującego o wartości poślizgu, która w silnikach indukcyjnych zwartych wynosi (1,5 – 5) %.

Regulacja prędkości obrotowej w tych silnikach może być regulowana przez zmianę częstotliwości napięcia zasilającego. Możliwa jest również zmiana prędkości przez zmianę napięcia zasilającego ale tylko „w dół”. Zwiększenie napięcia powyżej wartości nominalnej grozi uszkodzeniem izolacji uzwojeń. Zmiany prędkości obrotowej przez zmianę częstotliwości realizowane są z wykorzystaniem układów przekształtnikowych.

W silnikach klatkowych z charakterystyki mechanicznej wynika, że zwiększenie częstotliwości ponad wartość nominalną (50 Hz) wymaga również zwiększenia napięcia zasilającego co jest niemożliwe ze względu na zwiększający się pobór prądu magnesującego, wzrost strat oraz niebezpieczeństwo uszkodzenia izolacji uzwojeń.

Wiele silników klatkowych znajduje zastosowanie w prostych układach napędowych, gdzie silnik z napędzanym urządzeniem stanowi sztywne połączenie (obrabiarki, piły tarczowe, itp.) Prędkość obrotową silnika w takich napędach zmienia się w niewielkich granicach w zależności od obciążenia. Natomiast przekroczenie przez moment obciążenia wartości nominalnej momentu obrotowego silnika skutkuje gwałtownym spadkiem prędkości obrotowej, a tym samym zwiększeniem pobieranego z sieci prądu. Moment silnika indukcyjnego zwartego zależy od jego prędkości obrotowej.

W silnikach indukcyjnych klatkowych nieznaczne zmniejszenie  napięcia zasilającego powoduje znaczne zmniejszenie momentu obrotowego silnika. Dla przykładu zmniejszenie napięcia zasilającego silnik zaledwie o 10 % powoduje zmniejszenie momentu obrotowego o 19 %. Zmiana momentu obrotowego powoduje nieznaczne zmniejszenie prędkości obrotowej silnika co skutkuje wzrostem prądu pobieranego ze źródła zasilającego. Wzrost prądu powoduje zwiększenie strat oraz grzanie się uzwojeń co może doprowadzić w skrajnym przypadku do zniszczenia izolacji uzwojeń, a tym samym stwarzań zagrożenie porażeniowe oraz pożarowe. Podobne skutki powoduje zwiększenie napięcia ponad wartość nominalną. Dlatego też napięcie zasilające silnik indukcyjny musi spełniać warunek U = Un +- 5%.

Moment rozruchowy w silnikach klatkowych zawiera się w granicach (1,0 – 2,5) Mn.

Zbyt niskie napięcie zasilające podczas rozruchu może uniemożliwić uruchomienie silnika. Problemy te pojawiają się szczególnie wtedy gdy moment rozruchowy jest nie znacznie większy jak moment oporowy (obciążenie). W takim przypadku nawet nieznaczne obniżenie napięcia zasilającego może spowodować nie możliwość uruchomienia silnika lub znacznie przedłużyć jego rozruch i w konsekwencji skutkować nadmiernym nagrzaniem izolacji uzwojeń lub zniszczeniem silnika. Niekorzystną cechą silników klatkowych jest ich duży prąd rozruchowy, który wynosi (4- 8) In w zależności od mocy oraz konstrukcji silnika.

Duży prąd rozruchowy wynika z fizyki działania silnika. W chwili załączenia napięcia zasilającego silnik, jedynym oporem dla płynącego prądu są niewielkie rezystancje uzwojeń stojana. Wraz z upływem czasu indukuje się w nich  siła elektromotoryczna przeciw indukcji i wartość płynącego przez uzwojenia prądu ulega stabilizacji. Uzyskanie wartości nominalnej jest uzależnione od prędkości obrotowej silnika. Wartość prądu rozruchowego ulega zmniejszaniu wraz z upływem czasu aż w końcu ulega stabilizacji na poziomie wartości In, co następuje po osiągnięciu przez silnik nominalnej prędkości obrotowej.

Na uwagę zasługuje fakt, że obciążenie silnika nie wpływa na wartość prądu rozruchowego, a jedynie na czas trwania rozruchu. Czas rozruchu dłuższy niż 15 sekund może być powodem nadmiernego wzrostu temperatury uzwojeń co powinno być uwzględnione podczas projektowania instalacji zasilającej silnik. Rozruch silników klatkowych o mocy większej niż 5 kW należy realizować z wykorzystaniem układów rozruchowych ze względu na silne obciążenie sieci zasilającej i negatywny wpływ na odbiorniki wrażliwe na spadki napięć powodowane prądami rozruchowymi (np. żarówki)

Rozruch silników klatkowych

Spośród kilku stosowanych sposobów rozruchu, najbardziej popularnym jest rozruch silnika w układzie przełącznika gwiazda/trójkąt. W tym przypadku rozruch silnika odbywa się początkowa przy połączeniu uzwojeń stojana w gwiazdę, a następnie przełącza się je do połączenia w trójkąt. W czasie rozruchu uzwojenia silnika zasilane są napięciem mniejszym o pierwiastek z trzech, przez co prądy pobierane z sieci zasilającej są 3 kronie mniejsze. Skutkuje to również trzykrotnie mniejszym momentem rozruchowym przez co rozruch ten stosowany jest praktycznie przy rozruchu silników nieobciążonych (tzw. rozruch lekki).

W niektórych przypadkach rozruch silnika musi odbywać się przy obciążeniu, które niejednokrotnie jest dość duże (napęd windy, pompy głębinowe, itp.) . W takich przypadkach stosuje się silniki o innej konstrukcji (dwuklatkowe lub głębokożłobkowe), w których współczynnik prądu rozruchowego k<4, dzięki czemu w wielu przypadkach nie ma potrzeby stosowania układów rozruchowych. W takich silnikach moment rozruchowy jest znacznie większy niż w silnikach o wykonaniu normalnym.

Podczas projektowania instalacji zasilającej silnik należy pamiętać, że współczynnik mocy silnika podczas rozruchu znacznie się różni od wartości znamionowej. Posiada on duży wpływ na wartość spadku napięcia w przewodach zasilających silnik. Wartość współczynnika mocy dla silnika będącego w stanie rozruchu zawiera się w przedziale (0,1-0,4) i zależy od mocy silnika oraz jego konstrukcji.

Przy doborze silników należy jednak pamiętać by pracowały one odpowiednio obciążone (optymalne obciążenie występuje wówczas gdy moment obciążenia Mb jest znacznie mniejszy lub równy momentowi nominalnemu silnika Mn). Silnik obciążony momentem niższym jak nominalny powoduje pobór większej mocy biernej w stosunku do jej wartości nominalnej. Szczególnie duża wartość mocy biernej jest pobierana przez silnik pracujący w stanie jałowym, przez co należy unikać długotrwałej pracy silników na biegu jałowym.

Uwaga! Każdy silnik trójfazowy jest wrażliwy na pracę niepełnofazową. W celu uniknięcia skutków powodowanych brakiem (zanikiem) napięcia w jednej fazie, zabezpieczenie zanikowe silnika może zostać uzupełnione zabezpieczeniem od pracy niepełnofazowej.

Stosowane są również silniki dwuklatkowe oraz silniki głębokożłobkowe, które charakteryzuje mniejszy prąd rozruchowy oraz większy moment rozruchowy w stosunku do silników klatkowych powszechnego użytku.

Wirnik silnika dwuklatkowego ma dwie klatki: zewnętrzną (rozruchową) z prętami o małym przekroju oraz wewnętrzną (pracy) z prętami i dużym przekroju. Działanie klatki rozruchowej objawia się podczas rozruchu. Ich duża rezystancja powoduje zmniejszenie prądu rozruchowego. Moment tego silnika jest sumą dwóch momentów: momentu rozruchowego oraz momentu pracy. Silnik ten charakteryzuje mniejszy współczynnik mocy oraz mniejsza sprawność w stosunku do silnika jednoklatkowego. Silniki te dzięki dużemu momentowi rozruchowemu mogą być stosowane do rozruchu bezpośredniego lub do rozruchu z przełącznikiem gwiazda/trójkąt.

Silnik głębokożłobkowy charakteryzuje to, że głębokość żłobka jest bardzo duża w stosunku do jego szerokości. Dzięki takiej konstrukcji podczas rozruchu występuje zjawisko wypierania prądu co skutkuje zmiennością rezystancji wirnika. Podczas rozruchu rezystancja jest duża, a tym samym zmniejszeniu ulega prąd rozruchowy. Wraz z upływem czasu rozruchu, zjawisko wypierania prądu zanika i rezystancja klatki wirnika maleje. Silnik głębokożłobkowy przystosowany jest do rozruchu bezpośredniego.

Do napędów wentylatorów wyciągowych stosowane są niekiedy silniki wielobiegowe, w których uzwojenie jest przełączalne na dwie liczny biegunów. Mogą też być dwa uzwojenia w stojanie, co umożliwia zwiększenie liczby stopni prędkości kątowej.

Silnik pierścieniowy

Zastosowanie silników klatkowych w urządzeniach o ciężkim rozruchu jest ograniczone ze względu na mały moment rozruchowy oraz duże prądy rozruchu, które negatywnie oddziałowują na pracę innych odbiorników. Duży prąd rozruchowy może powodować znaczne spadki napięć w sieci zasilającej, które będą skutkowały zakłóceniami pracy innych odbiorników zasilanych ze wspólnej sieci.

W takich przypadkach niejednokrotnie stosuje się silniki pierścieniowe, które dzięki włączeniu rezystorów rozruchowych w obwodzie wirnika pozwalają uzyskać duży moment rozruchowy przy jednoczesnym zmniejszeniu prądu rozruchowego. Silnik pierścieniowy wymaga jednak rozrusznika. Włączenie do obwodu wirnika rezystorów rozruchowych umożliwia zmniejszenie prądu rozruchowego do wartości 2,5 In, przy współczynniku mocy podczas rozruchu o wartości w przedziale (0,6 – 0,7).

Silniki synchroniczne

Silniki synchroniczne mają dużo mniejsze zastosowanie niż silniki asynchroniczne.

Moment rozruchowy silników synchronicznych zależy od wartości napięcia zasilającego i przy obniżonej wartości napięcia zasilającego może stać się mniejszy od momentu oporowego. W takiej sytuacji silnik wypadnie z synchronizmu i zatrzyma się. Moment rozruchowy silnika synchronicznego jest praktycznie równy zero, przez co te silniki wymagają rozruchu, który jest realizowany asynchronicznie dzięki dodatkowemu uzwojeniu umieszczonemu w nabiegunnikach magneśnicy. Uzwojenie te jest podobne do uzwojenia wirnika silnika klatkowego. Po osiągnięciu prędkości obrotowej zbliżonej do synchronicznej zostaje wyłączone wzbudzenie i silnik wpada w synchronizm. Zaletą tych silników jest stała prędkość obrotowa i możliwość płynnej regulacji wartości współczynnika mocy.

Wartość współczynnika mocy w silniku synchronicznym zależy bezpośrednio od prądu wzbudzenia. Przy silniku niewzbudzonym współczynnik mocy ma charakter indukcyjny, a przy silniku przewzbudzonym, charakter pojemnościowy. Silniki te czasami są wykorzystywane do kompensacji mocy biernej, w zakładach przemysłowych. Moce produkowanych silników synchronicznych mieszczą się w przedziale od kilkudziesięciu kilowatów do kilku megawatów. Wartość pojemnościowego współczynnika mocy zależy od mocy wzbudnicy i zakresu regulacji jej napięcia oraz ograniczona jest przez dopuszczalną wartość prądu wzbudzenia silnika.

Silnik synchroniczny powszechnie nazywany maszyną synchroniczną jest maszyną przystosowaną do pracy silnikowej i prądnicowej.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail, nie zostanie opublikowany.

You may use these <abbr title="HyperText Markup Language">HTML</abbr> tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

*

dziewiętnaście − czternaście =