Silniki indukcyjne – asynchroniczne klatkowe

Liczba faz:

• Silnik trójfazowy: Posiada trzy fazy, co oznacza, że jest zasilany trójfazowym napięciem. Jest to najczęstszy rodzaj silnika w przemyśle ze względu na swoją efektywność i płynność pracy.
• Silnik jednofazowy: Posiada jedną fazę, zasilany jest jednofazowym napięciem. Jest bardziej popularny w zastosowaniach domowych i mniejszych aplikacjach, gdzie trójfazowe zasilanie może być trudniejsze do uzyskania.

Uruchamianie:

• Silnik trójfazowy: Samoczynnie startuje i ma lepsze właściwości rozruchowe. Nie wymaga dodatkowych urządzeń rozruchowych w większości przypadków.
• Silnik jednofazowy: Wymaga specjalnych układów startowych np. kondensatorów do rozpoczęcia obrotów. Jest bardziej skomplikowany w aspekcie rozruchu niż silnik trójfazowy.

Równomierność obrotów:

• Silnik trójfazowy: Posiada tendencję do generowania bardziej równomiernych obrotów, co sprawia, że jest bardziej stabilny w pracy.
• Silnik jednofazowy: Może charakteryzować się większymi drganiami i niestabilnością obrotową w porównaniu do silnika trójfazowego.

Wydajność:

• Silnik trójfazowy: Charakteryzuje się wyższą wydajnością energetyczną, co sprawia, że jest bardziej efektywny przy przekazywaniu mocy mechanicznej.
• Silnik jednofazowy: Zazwyczaj ma nieco niższą wydajność energetyczną niż silnik trójfazowy.

Złożoność budowy:

• Silnik trójfazowy: Mniej skomplikowany w budowie w porównaniu do silników jednofazowych.
• Silnik jednofazowy: Wymaga dodatkowych elementów, takich jak kondensatory, co może zwiększyć złożoność konstrukcyjną.

Warto zaznaczyć, że oba rodzaje silników indukcyjnych mają swoje zastosowania w zależności od konkretnych potrzeb i warunków zasilania. Silniki trójfazowe są bardziej powszechne w przemyśle, podczas gdy silniki jednofazowe są częściej spotykane w gospodarstwach domowych i mniejszych aplikacjach.

Główną różnicą pomiędzy 3F i 1F jest różnica w zasilaniu i rozruchu. Silnik 3F zasilamy z trzech faz a silnik 1F z jednej fazy. Silnik trójfazowy w większości przypadków nie wymaga dodatkowych układów rozruchowych (do ok. 7,5kW), silnik jednofazowy zawsze będzie wymagał podłączonego kondensatora do prawidłowej jego pracy.

Tabliczka znamionowa

Jest to parametr określający stan pracy w jakim może pracować silnik (więcej o rodzajach pracy w dalszej części)

Napięcie znamionowe:

Napięcie znamionowe w przypadku silników trójfazowych oznaczane jest w różnych konfiguracjach zależnych od układu połączeń. Najczęściej jednak jest to oznaczenie 230V/400V (gwiazda/trójkąt)

W przypadku silników jednofazowych mamy klarowną sytuacje opisaną jako 230V.

Moc znamionowa:

Oznacza ilość mocy zdolnej do przekazania na wał silnika, w praktyce jest to mniej więcej moc pobierana przez silnik z sieci. Nieodłącznie wiąże się z tym sprawność silnika o czym za chwile.

Współczynnik mocy:

To stosunek mocy czynnej do mocy pozornej w układzie elektrycznym. Wskazuje, jak efektywnie silnik przekształca dostarczoną energię elektryczną na pracę mechaniczną.

(współczynnik mocy koncentruje się na relacji między mocą czynną a mocą pozorną, podczas gdy sprawność ocenia, jak efektywnie cała dostarczona energia jest przekształcana na użyteczną pracę.)

Znamionowa prędkość obrotowa (n):

Jest to prędkość obrotowa z jaką wiruje wał silnika-wirnik

Sprawność znamionowa:

Określa jak efektywnie silnik wykorzystuje całą dostarczoną energię w kontekście wykonanej pracy.

Prąd znamionowy:

Przedstawia informacje o pobieranym prądzie w normalnych warunkach pracy. W przypadku silników trójfazowych o konfiguracjach gwiazda/trójkat są to często dwie wartości np. 14,6A/8,6A. W silnikach jednofazowych zawsze jest podana jedna wartość prądu znamionowego

Częstotliwość znamionowa:

Jest to częstotliwość w której powinien pracować silnik, aby utrzymywać pozostałe parametry pracy. W Polsce częstotliwość sieci to 50Hz więc 99% silników będzie zbudowana na tą właśnie wartość.

Stopień ochrony:

Jest to inaczej stopień IP - klasa szczelności urządzenia -silnika.

Klasa izolacji:

Najczęściej jest to klasa odpowiadająca temperaturze maksymalnej 130*C

Jednym z podstawowych parametrów silnika jest rodzaj pracy, określa on jak często i jak długo silnik może pracować w warunkach znamionowej pracy

• S1 – Praca ciągła.
• S2 – Praca dorywcza.
• S3 – Praca okresowa przerywana.
• S4 – Praca okresowa przerywana z rozruchem.
• S5 – Praca okresowa przerywana z hamowaniem elektrycznym.
• S6 – Praca okresowa długotrwała z przerwami jałowymi.
• S7 – Praca okresowa długotrwała z hamowaniem elektrycznym.
• S8 – Praca okresowa długotrwała ze zmianami prędkości obrotowej.

Najczęstszym rodzajem pracy spotykana w silnikach jest jednak praca S1 oraz S2 . W większości S1 - praca ciągła. Oznacza ona, że silnik może nieprzerwalnie pracować cały czas w warunkach znamionowych - mówiąc prościej może działać cały czas bez przerw.

Większość silników asynchronicznych (indukcyjnych) możemy łączyć w tzw. gwiazdę lub trójkat. Jest to związane z rozruchem silnika o czym dowiesz się poźniej.

W przypadku silników jednofazowych, sprawa jest prosta, ponieważ podłączenie jest tylko jedno z możliwością zmiany kierunków obrotów

Uzwojenia większości silników indukcyjnych trójfazowych klatkowych posiadają uzwojenia oznaczone literami:

Uzwojenie 1: U1-U2

Uzwojenie 2: V1-V2

Uzwojenie 3: W1-W2

Należy pamiętać o tym, że nie są one wyprowadzone naprzeciw siebie, a pod skosem.

Do silnika trójfazowego podłączamy w 99% tylko 4 przewody. Przewody fazowe L1,L2,L3 oraz PE podpięty do obudowy silnika.

Łączenie uzwojeń silnika w trójkąt lub gwiazdę nieodłącznie związane jest ze sposobem jego rozruchu. Więcej informacji na temat rozruchu i związanymi z tymi zjawiskami znajdziesz w ostatnim rozdziale tego ebooka “sposoby rozruchu”

Zmiana kierunków w silniku trójfazowym odbywa się za pomocą zmiany kolejności faz podłączenia.

W przypadku prawidłowej kolejności podłączenia faz, kolejno L1 -L2 - L3 wirnik silnika będzie obracał się w prawo.

W przypadku zmiany kierunku obrotów należy zmienić kolejność dowolnych dwóch faz, czyli np: L1-L3-L2

w przypadku każdego silnika czy to jednofazowego czy trójazowego, konfiguracje prawidłowego podłączenia opisane są na dekielku zamykającym zaciski połączeniowe.

Jeżeli chodzi o połączenia w silnikach trójfazowych i ich zaciski w 95% wyglądają tak samo jak przedstawiono to wyżej. Z silnikami jednofazowymi jest sprawa lekko skomplikowana, ponieważ można spotkać różne rodzaje oznaczeń i samych wyprowadzeń uzwojeń.

Dodatkowo w silnikach jednofazowych możemy mieć doczynienia poza kondensatorem pracy (włączonym na stałe), kondensator rozruchowy który automatyczny jest rozłączany po osiągnięciu określonej dla danego silnika prędkości obrotowej(za pomocą wyłącznika odśrodkowego)

Przykładowe zaciski silnika jednofazowego są widoczne powyżej. W tym wypadku mamy do dyspozycji zaciski U1, U2 Z2, P, P

Zaciski w tym silniku zostały już tak połączone fabrycznie, aby uprościć zmianę kierunku obrotów, dlatego nie mamy fizycznego podłączenia zacisku Z1, ponieważ został podłączony do uzwojenia U

Zaciski P oraz P są zaciskami wyprowadzającymi termistora umieszczonego w uzwojeniu silnika, w układach sterowania daje on informacje o stopniu nagrzania uzwojenia

U1-U2 należy podłączyć źródło zasilania, kolejno fazę (L) i przewód neutralny (N), a do zacisku Z2 oraz U2 należy podłączyć kondensator pracy o wartości podanej przez producenta w katalogu, lub najczęsciej dołączony do silnika.

Należy pamiętac o tym, że w przypadku silników jednofazowych, zmiana kolejności podłączenia przewodu L i N nie spowoduje zmiany kierunku wirowania, tak jak w przypadku trójfazowych, że wystarczy zmienić kolejność faz .

W tym przypadku, aby zmienić kierunek wirowania silnika, należy przewód L podłączyć do zacisku U1 a przewód N do zacisku Z2. (Wraz z podłączoną jedną końcówką kondensatora)

Obroty prawe:

U1 - podłączenie przewodu fazowego L

U2 - podłączenie przewodu neutralnego N

Kondensator wpięty do zacisku Z2 oraz U2

Obroty lewe:

U1-podłączenie przewodu fazowego L

Z2-podłączenie przewodu neutralnego N

Kondensator wpięty do zacisku Z2 oraz U2

Na omawianym przypadku mamy 4 zaciski U1-U2 oraz Z1-Z2. Poniżej pokazano prawidłowe podłączenie i zmiany kierunku obrotów silnika jednofazowego.

Podłączenie silnika trójfazowego do jednej fazy

Może się zdarzyć tak, że będziemy mieli dostępną sieć tylko jednofazową a silnik jest znamionowo przystosowany do pracy trójfazowej. W takim wypadku mamy tylko 1 wyjście. Dostosować go do pracy jednofazowej kosztem jego parametrów. Wszystkie jego parametry elektryczne w takim wypadku są pomniejszone o pierwiastek z trzech. Mówiąc prościej silnik trójfazowy o mocy znamionowej 1500W podłączony do sieci jednofazowej będzie miał moc około 866W a nie docelowe i znamionowe 1,5kW.

Trzeba mieć to na uwadze, decydując się na zasilanie go z sieci jednofazowej.

W przypadku podłączenia silnika 3F na 230V należy jego uzwojenia skonfigurować w trójkąt.

W przypadku kondensatora, przyjmuje się, że należy dobrać kondensator tak aby 70uF przypadało na około 1kW mocy

Podłączenie i zmiana kierunków w przypadku takiego zasilania wygląda następująco:

Najbardziej popularnym sposobem regulacji prędkości obrotowej jest regulacja poprzez przemiennik częstotliwości tzw. “falownik”. Falownik realizuje zmianę częstotliwości zasilania tak aby zachować stosunek U/f (napięcia do częstotliwości), dzięki temu możliwa jest płynna regulacja prędkości obrotowej wału silnika.

Rozwiązanie to jednak jest dość kosztowne i często wykorzystuje się zwykłe przekładnie do zmiany prędkości obrotowej

Sposób rozruchu silników indukcyjnych jest niezwykle istotny z uwagi na jego prawidłowe eksploatowanie i stabilność sieci do jakiej został wpięty.

Silniki są elementami indukcyjnymi, co oznacza, że pobierają bardzo duży prąd rozruchowy a następie ich prąd jest stabilizowany do wartości znamionowej.

Szacuje się, że prąd rozruchowy jest od 5 do 8 razy większy od prądu znamionowego silnika.

Wiąże się z tym stosowanie odpowiednich zabezpieczeń o charakterystyce C do takich obwodów na których znajdują się silniki elektryczne

Sposoby rozruchu silników indukcyjnych klatkowych:

• rozruch bezpośredni
• rozruch za pomocą układów/przełączników gwiazda-trójkąt
• rozruch z wykorzystaniem SoftStart
• rozruch za pomocą przemiennika częstotliwości tzw. “falownika”

Najczęściej wykorzystywanymi sposobami rozruchu jest rozruch bezpośredni stosowany z reguły do silników o mocy około 5kW oraz rozruch za pomocą układów/przełączników gwiazda-trójkąt. SoftStart-y oraz rozruchy za pomocą falowników z reguły używa się do silników znacznych mocy powyżej 10kW

Rozruch za pomocą przełącznika gwiazda-trójkąt lub układów sterujących realizujących przełączenie z gwiazdy na trójkąt jest najbardziej popularnym i najbardziej budżetowym sposobem.

Rozruch bezpośredni to rozruch polegający na bezpośrednim podłączeniu silnika do sieci skonfigurowanego np. w trójkąt.

Różne sposoby rozruchu stosuje się po to aby ograniczyć prąd rozruchowy silnika i nie obciążać nadmiernie sieci oraz instalacji do której został podłączony silnik

Wyłącznik silnikowy, podobnie jak wyłącznik instalacyjny (nadprądowy) zabezpiecza, jednak w tym wypadku silnik przed skutkami zwarć i przeciążeń. Posiada on zabezpieczenie zwarciowe oraz termiczne - stąd jego potoczna nazwa “termik”.

Rozłącza on obwód przy zaniku 1F (związane jest to z przeciążeniem i zwiększeniem prądu w obwodzie)

Posiada on regulowany prąd zadziałania, który jest nastawiany pod konkretny silnik, a nie jak w przypadku wyłącznika nadprądowego mamy stabelaryzowaną wartość np. 10A. Dla przykładu możemy ustawić na nim prąd zadziałania np. 8,5A

Kupując wyłącznik silnikowy musimy zwrócić uwagę na to, gdzie będzie on się znajdować ( rozdzielnicy/szafie sterowniczej) oraz przede wszystkim na prąd wyłączeniowy. Jeżeli silnik posiada prąd znamionowy 3A to w zakresie prądu wyzwolenia wyłącznika silnikowego musi się znaleźć prąd o wartości 3A.

Kolejnym krokiem jest jego prawidłowa nastawa. Gdy kupiliśmy właściwy wyłącznik silnikowy, kolejnym krokiem jest jego właściwa nastawa, samo podłączenie go do silnika nie wystarczy jak w przypadku wyłączników nadprądowych.

Nastawę wykonujemy według wzoru:

I = In * 1,1

I- prąd nastawy

In- prąd znamionowy silnika

Przykład:

Silnik trójfazowy (3F) o prądzie znamionowym In=3A zabezpieczymy nastawą na wyłączniku silnikowym I=3*1,1=3,3A. Prąd I=3,3A należy nastawić na wyłączniku silnikowym.

Wyłącznik silnikowy ZAWSZE montujemy przed stycznikiem lub elementami załączającymi. Powód jest prosty, uchroni to stycznik lub inne elementy załączające przed skutkami zwarć

Najlepszym rozwiązaniem, jest wykorzystanie wyłącznika silnikowego (1F) jednofazowego. Często jednak spotykanym rozwiązaniem jest zastosowanie wyłącznika silnikowego 3F do silnika 1F. Należy jednak pamiętać, aby połączyć taki wyłącznik prawidłowo według schematu poniżej.

Powyższe połączenia są jedynymi poprawnymi. Te a nie inne połączenia wynikają z budowy samego wyłącznika silnikowego i równomiernym nagrzewaniu się jego styków - co za tym idzie prawidłowym działaniu, w przypadku przeciążenia

Najlepszym zastosowaniem jest jednak wykorzystanie aparatu przeznaczonego typowo do potrzeb. W tym wypadku wyłącznika silnikowego jednofazowego.