Silniki indukcyjne jednofazowe
Silniki indukcyjne jednofazowe są stosowane głównie w napędach urządzeń gospodarstwa domowego, w napędach urządzeń rolniczych, w przemyśle lekkim i automatyce. Są przystosowane do współpracy z siecią jednofazową prądu przemiennego, moc ich nie przekracza najczęściej 2 kW.
W stojanie jest umieszczone uzwojenie wykonane jako skupione lub rozłożone, natomiast wirnik na ogół jest klatkowy. Prąd przemienny o częstotliwości doprowadzony do jednofazowego uzwojenia stojana wytwarza pole magnetyczne zmienne nieruchome w przestrzeni, które można rozłożyć na dwa pola kołowe wirujące w przeciwnych kierunkach. Te dwa pola magnetyczne składowe indukują w uzwojeniu klatkowym wirnika siły elektromotoryczne. Pod ich wpływem w uzwojeniach tych płyną prądy. Stąd wniosek, że klatka wirnika wytworzy również dwa pola magnetyczne wirujące w przeciwnych kierunkach. Na skutek oddziaływania pól magnetycznych stojana z polami magnetycznymi wirnika wytworzone zostaną dwa momenty elektromagnetyczne składowe przedstawione na rysunku 1. Jeżeli dodamy te momenty, to otrzymamy charakterystykę momenty silnika jednofazowego.
Rys. 1. Przybliżony przebieg momentów silnika indukcyjnego
jednofazowego.
Z przebiegu tej charakterystyki widać, że silnik indukcyjny jednofazowy nie wytwarza początkowego momentu rozruchowego (przy n = 0; = 0) oraz nie ma określonego kierunku wirowania. Silnik można uruchomić w obu kierunkach przez mechaniczne nadanie wirnikowi początkowej prędkości, przy której moment elektromagnetyczny rozwijany przez silnik jest nieco większy od momentu mechanicznego obciążającego wirnik. Brak momentu rozruchowego jest podstawową wadą silnika indukcyjnego jednofazowego.
Silnik indukcyjny przy prędkości = 1 możemy rozwinąć moment elektromagnetyczny 0, jeżeli przy postoju wirnika ( n = 0) zostanie wytworzone w maszynie pole magnetyczne wirujące kołowe lub eliptyczne. Można to uzyskać różnymi metodami.
Silnik z fazą rozruchową rezystancyjną
Wiadomo, że moment rozruchowy może powstać tylko wtedy, gdy istnieje strumień wirujący. Natomiast pole wirujące może powstać, jeżeli istnieje przesunięcie zwojów w przestrzeni i są one zasilone prądami przesuniętymi w fazie. Przy dysponowaniu tylko napięciem jednofazowym dla powstania pola wirującego eliptycznego wystarczy spełnić następujący warunek: wykonać uzwojenie dwufazowe i zasilić je prądami przesuniętymi o pewien kąt . Jeżeli
warunki będą najkorzystniejsze.
Aby spełnić ten warunek, w stojanie umieszcza się uzwojenie dwufazowe wykonane w ten sposób, że uzwojenie fazy głównej zajmuje 2/3 liczby żłobków na obwodzie stojana, a pozostałe żłobki ( 1/3) zajmuje uzwojenie fazy rozruchowej . Osie uzwojeń fazy głównej i fazy rozruchowej są przesunięte o . Uzwojenia obu faz są ze sobą połączone równolegle i są zasilane napięciem z jednej fazy (Rys. 2).
Rys.2. Schemat połączeń i wykres prądów silnika indukcyjnego jednofazowego z fazą rozruchową W1-W2
rezystancyjną.
Przesunięcie czasowe prądu fazy rozruchowej względem prądu fazy głównej
powstaje dzięki temu, że faza rozruchowa jest wykonana z cieńszego drutu niż faza główna i w związku z tym ma większą rezystancję. Rezystancję tę można powiększyć włączając dodatkowo w szereg z fazą rozruchową opornik , wpływając w ten sposób na zwiększenie przesunięcia między prądami. Po dokonaniu rozruchu fazę rozruchową odłącza się, gdyż ze względu na dużą gęstość prądu w fazie tej powstają duże straty i przy dłuższej pracy mogłaby ona ulec przepaleniu. Do wyłączania fazy rozruchowej służy wyłącznik automatyczny , który najczęściej jest wyłącznikiem działającym na zasadzie siły odśrodkowej (jego styki są tak odciągane jak foteliki karuzeli), osadzonym na wale wirnika. Styki tego wyłącznika włączone w obwód fazy rozruchowej otwierają się po osiągnięciu przez wirnik prędkości równej 0,70,8 prędkości znamionowej.
Zmianę kierunku wirowania można uzyskać przez przełączenie fazy rozruchowej – należy połączyć z oraz z .
Silnik z fazą rozruchową kondensatorową
Większy niż poprzednio moment rozruchowy można uzyskać zbliżając się do warunków, jakie są potrzebne, aby uzyskać pole wirujące kołowe. Możliwe jest to wówczas, gdy w fazie rozruchowej zastosujemy kondensator dobierając go tak, aby przesunięcie między prądami i wynosiło jak na rys. 3. Faza ta nazywa się fazą rozruchową kondensatorową i przy prędkościach wyłącznik odśrodkowy powinien ją wyłączyć.
Rys.3. Schemat połączeń i wykres prądów silnika indukcyjnego jednofazowego z fazą rozruchową W1-W2
kondensatorową.
Silnik z pomocniczą fazą kondensatorową
W praktyce stosuje się również takie silniki, w których faza kondensatorowa jest na stałe włączona w czasie pracy silnika. Silnik taki nazywa się silnikiem z pomocniczą fazą kondensatorową (Rys.4.). Można tak dobrać pojemność , że w czasie pracy silnika uzyskuje Sie pole magnetyczne kołowe. Dzięki temu zmniejszają się straty, zwiększa sprawność i znacznie wycisza się praca silnika oraz zwiększa , z jakim pracuje silnik.
Rys.4. Schemat połączeń silnika indukcyjnego jednofazowego z pomocniczą fazą
Aby pole było przez cały czas kołowe pojemność powinna być zmieniana ze zmianą obciążenia silnika, co jest trudne do realizacji. Najczęściej więc dobiera się ją tak, aby pole kołowe istniało przy obciążeniu . Aby uzyskać maksymalny moment rozruchowy pojemność włączona w czasie rozruchu powinna być kilkukrotnie większa od pojemności potrzebnej w czasie pracy do uzyskania pola kołowego przy . Z tego względu silnik taki ma zwykle dwa kondensatory, z których jest za pomocą wyłącznika odśrodkowego wyłączany po rozruchu, a jest stale włączony (rys.4.). Kondensatory potrzebne do rozruchu mają zwykle dużą pojemność (od kilkudziesięciu do kilkuset mikrofaradów) i dlatego są dość drogie.
Silnik ze zwartą fazą pomocniczą
Jednofazowe silniki indukcyjne małej mocy najczęściej są budowane jako silniki, z tzw. zwartą fazą pomocniczą. Stojan takiego silnika jest zbudowany z pakietu blach o kształtach jak na rys.5a lub b. Uzwojenie stojana jest wykonane w postaci cewek (rys.5a) lub cewki (rys.5b) osadzonych na biegunach wydatnych. Jeżeli cewki są dwie, najczęściej są one połączone ze sobą w szereg.
Rys.5. Silnik jednofazowy ze zwartą fazą pomocniczą: a) z dwiema cewkami w stojanie, b) z jedną cewką w stojanie
1 - stojan, 2 - wirnik, 3 – zwarty zwój (pierścień), 4 – uzwojenie stojana, 5 – obejma łożyskująca wirnik, - strumień główny, - strumień pomocniczy, - strumień całkowity
Każdy biegun jest podzielony na dwie nierówne części, z których mniejsza jest objęta miedzianym pierścieniem (zwojem zwartym). Pierścień ten spełnia rolę uzwojenia pomocniczego. Przez główną część bieguna przechodzi strumień główny wytworzony przez przepływ uzwojenia stojana . Przez część bieguna objętą pierścieniem przechodzi strumień , proporcjonalny do geometrycznej różnicy przepływów uzwojenia stojana i zwoju zwartego . Przepływ jest wytworzony przez prąd, płynący w zwartym pierścieniu pod wpływem napięcia indukowanego w nim przez strumień . Ponieważ strumienie i są przesunięte względem siebie w fazie (rys. 6.), dają wypadkowe pole magnetyczne eliptyczne, które wytwarza moment rozruchowy.
Rys.6. Przepływy i strumienie silnika indukcyjnego jednofazowego ze zwartą fazą pomocniczą
Początkowy moment rozruchowy takiego silnika jest zwykle mały, mniejszy od momentu znamionowego, a sprawność również mała - %.
Silniki ze zwartym uzwojeniem pomocniczym mają tylko jeden określony konstrukcją kierunek prędkości (w kierunku części bieguna objętej zwojem zwartym – rys.5.). Niektóre silniki na każdym biegunie mają po dwa lub trzy pierścienie, których zadaniem jest poprawa właściwości ruchowych.
6
d_a_r_k