Silniki trójfazowe, silniki asynchroniczne

Grupa urządzeń wytwarzających wirujące pole magnetyczne obejmuje urządzenia, których zasada działania polega na polu magnetycznym krążącym w szczelinie powietrznej pomiędzy stojanem a wirnikiem. Najważniejszą i zarazem najczęściej wykorzystywaną maszyną roboczą wchodzącą w skład tej grupy jest asynchroniczny silnik indukcyjny w wykonaniu z wirnikiem zwartym. Charakteryzuje się on następującymi cechami:

• prosta i wytrzymała konstrukcja
• wysokie bezpieczeństwo działania
• eksploatacja niewymagająca konserwacji
• niska cena

W zakresie elektronicznej techniki napędowej z reguły stosowane są następujące silniki elektryczne:

• asynchroniczne silniki trójfazowe (wirnik zwarty, wirnik pierścieniowy, silnik momentowy)
• asynchroniczne jednofazowe silniki prądu przemiennego
• asynchroniczne lub synchroniczne serwomotory
• silniki prądu stałego

W związku z tym, że za pomocą falowników można w prostszy i niewymagający konserwacji sposób regulować prędkość obrotową silników trójfazowych, silniki prądu stałego oraz silniki trójfazowe z pierścieniem ślizgowym schodzą na dalszy plan. Pozostałe typy asynchronicznych silników trójfazowych mają w sferze techniki napędowej znikome znaczenie. Dlatego też ich dokładny opis jest zbyteczny.

Gdy silnik elektryczny, taki jak na przykład silnik trójfazowy, zostanie połączony z przekładnią, powstanie tak zwany motoreduktor. Niezależnie od elektrycznej zasady działania danego silnika sposób połączenia z przekładnią ma szczególne znaczenie w zakresie mechanicznej konstrukcji silnika. SEW-EURODRIVE stosuje w tym zakresie specjalnie przystosowane silniki.

Wirnik lub rotor

Przy rowkach rdzenia z blach laminowanych rotora znajduje się wstrzyknięte lub włożone uzwojenie (np. z aluminium lub miedzi). Jest ono po obu stronach zwarte za pomocą pierścieni wykonanych z tego samego metalu. Pręty wraz z pierścieniem zwarciowym przypominają swoim kształtem klatkę. Dlatego też drugą używaną nazwą dla silników trójfazowych jest: „silnik z wirnikiem klatkowym”.

Stojan

Uzwojenie zalane w żywicy syntetycznej umieszczone jest w na wpół zamkniętych rowkach rdzenia z blach laminowanych stojana. Liczba szpuli oraz ich szerokość jest różna, w zależności od oczekiwanej liczby biegunów (= prędkości obrotowej). Rdzeń z blach laminowanych tworzy razem z obudową silnika tak zwanego stojana.

Tarcze łożyskowe

Tarcze łożyskowe wykonane ze stali, żeliwa szarego lub wykonane jako odlew ciśnieniowy z aluminium zamykają wnętrze silnika po stronie A oraz stronie B. Konstrukcja na przejściu do stojana określa stopień ochrony silnika.

Wał wirnika

Rdzeń z blach laminowanych po stronie wirnika łączony jest z wałem ze stali. Obie końcówki wału przechodzą po stronie A oraz stronie B przez tarcze łożyskowe. Po stronie A zamocowana jest końcówka wału wyjściowego (w przypadku motoreduktora jako czop zębnika); po stronie B zamocowany jest wentylator ze swoimi łopatkami na potrzeby chłodzenia lub uzupełniające systemy takie jak mechaniczne hamulce, enkodery itd.

Obudowa silnika

W przypadku silników o małej lub średniej mocy obudowa silnika może być wykonana jako aluminiowy odlew ciśnieniowy. Obudowy silników we wszystkich klasach wydajności wykonywane są poza tym również z żeliwa szarego. Do obudowy przymocowana jest skrzynka zaciskowa. Znajdują się w niej w formie listwy zaciskowej końcówki uzwojenia stojana niezbędne do podłączenia elektrycznego. Użebrowanie radiatora powiększa powierzchnię obudowy i zwiększa uwalnianie ciepła do otoczenia.

Wentylator, osłona wentylatora

Wentylator przy końcówce wału po stronie B zasłonięty jest pokrywą. Niezależnie od kierunku obrotów wirnika kieruje on strumień powietrza powstający podczas ruchu obrotowego na użebrowanie obudowy. W przypadku budowy pionowej silnika opcjonalny daszek ochronny zapobiega przedostawaniu się (małych) części przez siatkę pokrywy wentylatora.

Łożysko

Łożyska znajdujące się w tarczach łożyskowych po stronie A oraz stronie B łączą mechanicznie części obracające się z elementami stałymi. Zazwyczaj stosowane są łożyska kulkowe zwykłe, rzadziej łożyska walcowe. Wielkość łożyska zależna jest od działających sił oraz prędkości obrotowej, które dane łożysko musi przejąć. Różnorodne systemy uszczelniające dbają o to, aby zapewnić odpowiednie właściwości smarowania w łożysku oraz zapobiegają wydostawaniu się olejów lub smarów.

Symetryczny trójfazowy system uzwojenia stojana podłączony jest do sieci prądu trójfazowego o odpowiednim napięciu i częstotliwości. W każdej fazie uzwojenia płyną prądy sinusoidalne o tej samej amplitudzie, które są względem siebie czasowo przesunięte o 120°. Dzięki przestrzennemu przesunięciu faz o 120° stojan wytwarza pole magnetyczne, które krąży z częstotliwością przyłożonego napięcia.

To krążące pole magnetyczne - inaczej zwane polem wirującym - wzbudza napięcie elektryczne w uzwojeniu wirnika lub prętach wirnika. W związku z tym, że uzwojenie zwarte jest za pomocą pierścienia, przepływają prądy zwarciowe. Razem z poolem wirującym wytwarzają one siły oraz moment obrotowy na promieniu wirnika, który powoduje przyspieszenie wirnika w kierunku pola wirującego do określonej prędkości obrotowej. Wraz ze wzrostem prędkości obrotowej wirnika spada częstotliwość wytwarzanego napięcia w wirniku, ponieważ zmniejsza się różnica pomiędzy prędkością obrotową pola wirującego a prędkością obrotową wirnika.

Przekłada się to na mniejsze indukowane napięcie, które wywołuje mniejsze prądy w klatce wirnika a tym samym mniejsze siły i mniejsze momenty obrotowe. Gdyby wirnik osiągnął taką samą prędkość obrotową co pole wirujące, obracałby się synchronicznie i nie dochodziłoby do indukcji napięcia, a silnik nie wytworzyłby momentu obrotowego. Moment obciążenia oraz momenty tarcia w łożyskach wywołują jednak pewną różnicę pomiędzy prędkością obrotową wirnika a prędkością obrotową pola wirującego a tym samym równowagę pomiędzy momentem przyspieszenia a momentem obciążenia. W efekcie końcowym silnik pracuje synchronicznie.

W zależności od obciążenia silnika różnica ta jest mniejsza lub większa, ale nigdy nie wynosi zero, ponieważ nawet w przypadku pracy jałowej zawsze istnieje tarcie. Jeżeli moment obciążenia przekracza maksymalny generowany przez silnik moment przyspieszenia, silnik wskakuje w niedopuszczalny stan roboczy, który może być związany z ewentualnymi termicznymi skutkami.

Ten niezbędny na potrzeby działania ruch względny pomiędzy prędkością obrotową pola wirującego a mechaniczną prędkością obrotową definiowany jest jako poślizg, który jest wskazywany jako wartość procentowa prędkości obrotowej pola wirującego. W przypadku silników o małej mocy poślizg może wynosić od 10 do 15 procent, a silniki indukcyjne trójfazowe o dużej mocy charakteryzują się poślizgiem wynoszącym ok. 2 do 5 procent.

Silnik trójfazowy pobiera moc elektryczną z sieci zasilającej i zamienia ją na moc mechaniczną - to znaczy na prędkość obrotową i moment obrotowy. Gdyby silnik pracował by bez strat, wskazana mechaniczna moc P_ab odpowiadałaby pobieranej mocy elektrycznej P_auf.

Tak jak w przypadku każdej zmiany energii, również w przypadku silników trójfazowych dochodzi do strat: straty w miedzi P_Cu oraz straty na prętach P_Z powstają na skutek nagrzewania przewodników, w których płynie prąd. Straty w żelazie P_Fe powstają podczas przemagnesowania rdzeni z blach laminowanych za pośrednictwem częstotliwości sieciowej. Straty tarciowe P^_Rb powstają podczas tarcia w łożyskach, a straty chłodzenia poprzez stosowane w celu chłodzenia powietrze. Stosunek oddawanej mocy do mocy przyjmowanej definiowany jest jako sprawność maszyny.

Ze względu na prawne wytyczne w ostatnich latach zwraca się szczególną uwagę na zastosowanie silników o wysokiej sprawności. Odpowiednie normatywne uzgodnienia definiują w tym zakresie klasy sprawności, które zostały przejęte przez producentów i uwzględnione w danych technicznych. Aby zredukować istotne straty w maszynie, konstruktorzy silników elektrycznych muszą uwzględnić:

• zastosowanie większej zawartości miedzi w uzwojeniu silnika (P_Cu)
• użycie blachy lepszej jakości (P_Fe)
• optymalizację geometrii wentylatora (P_Rb)
• energetycznie zoptymalizowane łożyskowanie

Podczas rejestrowania wartości momentów obrotowych oraz prądu w stosunku do prędkości obrotowej uzyskuje się krzywą stosunku prędkości obrotowej do momentu obrotowego dla silnika trójfazowego. Silnik po każdym włączeniu przechodzi tę krzywą aż do osiągnięcia stabilnego punktu pracy. Liczba biegunów, konstrukcja budowy oraz materiał uzwojenia wirnika mają wpływ na przebieg krzywej. Znajomość tej krzywej jest bardzo istotna w przypadku napędów, które eksploatowane są przy zastosowaniu momentu przeciwnego (np. dźwignice).

Jeżeli moment przeciwny maszyny roboczej jest większy niż minimalny moment rozruchowy, prędkość obrotowa wirnika ulegnie „zablokowaniu podczas rozruchu”. Silnik nie osiągnie swojego znamionowego punktu pracy, a więc stabilnego oraz bezpiecznego z termicznego punktu widzenia punktu pracy. Jeżeli moment przeciwny jest większy niż moment rozruchowy, silnik się zatrzyma. Jeżeli eksploatowany napęd zostanie przeciążony (np. poprzez przeładowanie taśmy przenośnikowej), prędkość obrotowa spadnie przy jednoczesnym wzroście obciążenia. Jeżeli moment przeciwny przekroczy moment krytyczny, silnik zwolni, a prędkość obrotowa spadnie do minimalnej rozruchowej prędkości obrotowej lub nawet do zera. Wszystkie scenariusze prowadzą do zbyt dużych prądów w wirniku i stojanie, przez co ulegają one zbyt szybkiemu nagrzewaniu. Jeżeli nie zostały zainstalowane żadne urządzenia ochronne, sytuacja może doprowadzić do termicznego uszkodzenia silnika - zostanie od przepalony.

Powstające w przewodniku podczas przepływu prądu ciepło zależy od oporu przewodnika oraz natężenia przepływającego przez niego prądu. Częste włączanie oraz rozruch za pomocą momentu przeciwnego obciążają termicznie w znacznym stopniu silnik trójfazowy. To dopuszczalne nagrzewanie silnika zależne jest od temperatury otaczającego go medium chłodzącego (np. powietrza) oraz odporności na temperaturę materiału, z którego wykonana została izolacja uzwojenia.

Maksymalna nadmierna temperatura silników regulowana jest przez ich podział na klasy cieplne (wcześniej zwane również jako „klasy izolacji”) (IEC 60034). W ramach danej klasy cieplnej silnik musi wykazywać zdolność eksploatacji ze stałą nadmierną temperaturą wynikającą z mocy nominalnej silnika bez jego uszkodzenia. W przypadku temperatury płynu chłodzącego wynoszącej maksymalnie 40 °C dopuszczalna nadmierna temperatura graniczna na przykład w klasie cieplnej 180(H)³ to 125 °C.

• Najprostszym trybem pracy jest obciążenie ze stałym momentem obciążenia. Poprzez stałe obciążenie w punkcie znamionowym silnik osiąga po określonym czasie termiczny stan ustalony. Ten tryb eksploatacji nazywa się pracą ciągłą S1.
• Podczas pracy krótkotrwałej S2 silnik eksploatowany jest podczas określonego okresu czasu (tB) ze stałym obciążeniem. W tym okresie silnik nie osiąga termicznego stanu ustalonego. W dalszej kolejności następuje czas postoju, który musi być tak długo mierzony, aż silnik osiągnie temperaturę czynnika chłodzącego.
• Podczas pracy przerywanej S3 silnik eksploatowany jest przez określony czas (tB) ze stałym obciążeniem. Przy tym rozruch nie może może mieć wpływu na nagrzewanie się silnika. Następnie dochodzi do czasu postoju (tSt). W przypadku tego trybu pracy wskazywany jest względny czas pracy (ED), który zgodnie z IEC 60034-1 dostarcza wzorcowych informacji o stosunku czasu pracy do czasu trwania (= czas pracy + czas postoju) dla 10 minut.

Przykład: mamy do czynienia z trybem pracy S3/40%, gdy silnik zamiennie 4 minuty pracuje i na 6 minut zostaje wyłączony.

Dopuszczalna częstość łączeń dostarcza informacji o tym, jak często na godzinę silnik może zostać włączony bez jego termicznego przeciążenia. Jest ona zależna od:

• momentu bezwładności masy wymagającego przyspieszenia
• czasu trwania rozruchu
• temperatury otoczenia
• czasu pracy

Dopuszczalna częstość łączeń silnika może zostać powiększona na skutek następujących działań:

• zwiększenie klasy cieplnej
• wybór następnego pod względem wielkości silnika
• montaż wentylatora chłodzącego
• zmiana przełożenia redukującego przekładni a tym samym stosunku momentu bezwładności masy

Poprzez zmianę biegunów silniki trójfazowe mogą być eksploatowane z różnymi prędkościami obrotowymi . Poprzez dodanie większej ilości uzwojeń do rowków stojana lub poprzez zmianę kierunku przepływu prądu w poszczególnych częściach uzwojenia uzyskuje się różne ilości biegunów. W przypadku osobnych uzwojeń moc na liczbę biegunów wynosi mniej niż połowa mocy silnika jednoobrotowego o tej samej wielkości.

Silniki trójfazowe o zmiennych biegunach stosowane są jako napędy jezdne. Podczas eksploatacji z małą ilością biegunów prędkość jazdy jest wysoka. Na potrzeby pozycjonowania następuje przełączenie na uzwojenie wielobiegunowe charakteryzujące się małą prędkością obrotową. Ze względu na moment bezwładności masy podczas przełączania silnik zachowuje w pierwszej kolejności swoją wysoką prędkość obrotową. Silnik trójfazowy pełni w tej fazie funkcję generatora i wyhamowuje. Energia kinetyczna zamieniana jest w energię elektryczną i wprowadzana do sieci. Wadą jest znaczący skok momentu obrotowego powstający podczas przełączenia, który można jednak zredukować poprzez zastosowanie odpowiednich środków w związku z przełączeniem.

Aktualny rozwój korzystnej cenowo techniki przełączeniowej sprzyja zastosowaniu silników o zmiennych biegunach zamiast jednoobrotowych oraz regulowanych za pomocą częstotliwości silników w zakresie wielu różnych zastosowań.

Silnik jednofazowy jest dobrym wyborem w sytuacji, w której aplikacje nie wymagają wysokiego momentu rozruchowego, są podłączone do jednofazowej sieci prądu zmiennego i stosowana jest raczej niewielka moc (<= 2,2 kW). Wentylatory, pompy i sprężarki należą do typowych przykładów zastosowania. Dwie zasadnicze różnice konstrukcyjne są charakterystyczne dla tych urządzeń:

Po pierwsze klasyczny asynchroniczny silnik trójfazowy podłączany jest do jednej fazy oraz przewodu neutralnego. Trzecia faza regulowana jest za pośrednictwem przesunięcia fazowego za pomocą kondensatora . W związku z tym, że kondensator nie może osiągnąć przesunięcia fazy o wartość 120°, a jedynie o 90°, ten rodzaj silnika jednofazowego eksploatowany jest co do zasady z mocą wynoszącą dwie trzecie mocy porównywalnego silnika trójfazowego.

Drugi rodzaj konstrukcji, w której można wykonać silnik jednofazowy, dotyczy dostosowania w zakresie technologii uzwojenia. W miejsce uzwojenia trójfazowego wykonywane jest uzwojenie dwufazowe w formie głównej i pomocniczej. Przestrzennie przesunięte względem siebie o 90° cewki zasilane są za pomocą kondensatora również z czasowym przesunięciem o 90°, co powoduje powstanie pola wirującego. Nierówne warunki prądowe uzwojenia głównego i pomocniczego zasadniczo umożliwiają uzyskanie dwóch trzecich mocy silnika trójfazowego o tej samej wielkości. Do typowych silników na potrzeby eksploatacji jednofazowej należy silnik kondensatorowy, silnik o biegunach dzielonych oraz silnik rozruchowy, który może być eksploatowany bez kondensatora.

Oferta SEW-EURODRIVE obejmuje oba typy konstrukcji silników jednofazowych – silniki DRK... Oba typy dostarczane są ze zintegrowanym kondensatorem roboczym. A w związku z tym, że kondensator jest zainstalowany w skrzynce zaciskowej, unika się konturów zakłócających. Dzięki kondensatorowi roboczemu na potrzeby rozruchu dostępne jest ok. 45% - 50% momentu obrotowego.

Magnesy z polem wirującym to wersja specjalna silników trójfazowych z wirnikiem klatkowym. Na etapie projektowania są w taki sposób zwymiarowane, że nawet przy prędkości obrotowej równej 0 mają tak wysoki pobór prądu, że nie mogą się same zniszczyć w sensie termicznym. Ma to sens na przykład w przypadku otwierania drzwi, przestawiania zwrotnic lub w przypadku narzędzi do pras , gdy osiągnięta zostaje określona pozycja, którą należy motorycznie i elektrycznie w sposób pewny utrzymać.

Kolejnym często wykorzystywanym trybem pracy jest tak zwany tryb hamowania z użyciem prądu zwrotnego: zewnętrzne obciążenie jest w stanie obrócić wirnik w kierunku przeciwnym do pola wirującego. Pole wirujące „wyhamowuje” prędkość obrotową i pobiera z systemu energię generatorową wprowadzając ją z powrotem do sieci - jest to swego rodzaju hamowanie rotacyjne niewymagające mechanicznej pracy hamowania.

SEW-EURODRIVE oferuje w ramach DRM.. 12-polowe magnesy z polem wirującym, które zostały zaprojektowane na potrzeby stałego i termicznego zastosowania ze znamionowym momentem obrotowym w spoczynku. Magnesy z polem wirującym oferowane przez SEW-EURODRIVE są dostosowane do różnorodnych wymagań oraz prędkości i dostępne są w zależności od trybu pracy w maksymalnie trzech znamionowych momentach obrotowych.

Gdy silniki elektryczne stosowane są w obszarach zagrożonych wybuchem (zgodnie z dyrektywą UE 2014/34/UE; ATEX), należy w napędach uwzględnić określone środki ochrony. W tym zakresie SEW-EURODRIVE oferuje różne wersje wykonania w zależności od obszaru zastosowania czy regionu.

Na potrzeby aplikacji, które eksploatowane są bezpośrednio w sieci i dodatkowo wymagają synchronicznej prędkości obrotowej, SEW-EURODRIVE oferuje tak zwane silniki LSPM . LSPM oznacza Line Start Permanent Magnet. W przypadku silnika LSPM mamy do czynienia z trójfazowym silnikiem asynchronicznym wyposażonym w dodatkowy magnes trwały. Rozruch następuje w sposób asynchroniczny, następnie silnik się synchronizuje do częstotliwości roboczej i pracuje od tej chwili w trybie synchronicznym. Technologia silników, która otwiera nowe elastyczne możliwości zastosowania w technice napędowej .

Te kompaktowe silniki hybrydowe nie wykazują w zakresie eksploatacji jakichkolwiek strat na wirniku i charakteryzują się nadzwyczajnie wysoką sprawnością. Rozmiar silnika serii DR..J z technologią LSPM jest mniejszy o 2 stopnie w stosunku do silnika seryjnego o takiej samej mocy oraz tej samej klasie energooszczędności.