Silniki elektryczne - napędy elektryczne

Autor mechanika-obrobka.pl


Napisane 2017-11-10 14:03:17


Silniki elektryczne - napędy elektryczne

Napędy elektryczne – silniki elektryczne

Bardzo szeroko stosowane w wielu gałęziach przemysłu. Każdy z nas codziennie ma styczność z kilkoma silnikami elektrycznymi – nie zdając sobie z tego nawet sprawy. Bardzo duży rozwój elektroniki w ostatnich latach przyczynił się również do bardzo dużego rozwoju napędów i silników. CD-ROM’y w komputerach (chociaż aktualnie już coraz rzadziej wykorzystywane) posiadają małe silniczki, a wiatraki w układach chłodzenia? Silniki w tramwajach? Rozruszniki i krokówki w samochodach? Drukarki (te zwykłe i 3D)? A silniki w tokarkach konwencjonalnych? Przykładów jest mnóstwo tak samo jak silników elektrycznych, każdy ma swoją specyfikację i przeznaczenie gdzie sprawdzi się najlepiej. Szczególnie w przemyśle – czy na liniach produkcyjnych, czy w urządzeniach czy w maszynach – prawdopodobnie wszędzie znajdziemy napęd elektryczny.

Podział silników elektrycznych

Jako, że możemy mówić o podziale prądu na ten stały i ten przemienny – tak samo możemy mówić o podziale silników elektrycznych – na te które są zasilane prądem stałym i te zasilane prądem przemiennym. Mają różne cechy i różne zastosowanie. Rodzaj zasilania nie ma decydującego wpływu na parametry danego silnika. Zalety silników elektrycznych to m. in.:

  • zwartość konstrukcji,
  • duża szybkość działania,
  • stałość prędkości obrotowej,
  • możliwość uzyskiwania bardzo dużych momentów,
  • bezpieczeństwo pracy,
  • łatwość montażu i demontażu

Silniki prądu przemiennego – silniki asynchroniczne i silniki synchroniczne

Silniki prądu przemiennego, czyli silniki wykorzystujące trójfazowy prąd przemienny. Najbardziej popularnymi silnikami tego rodzaju są silniki asynchroniczne i silniki synchroniczne.

Budowa silnika asynchronicznego

Są zbudowane z dwóch podstawowych elementów – wirnika i stojana. Stojan zbudowany jest z trzech lub wielokrotności trzech par biegunów do których jest doprowadzone trójfazowe napięcie. Wirnik nie jest bezpośrednio zasilany (w przypadku wirnika klatkowego) lub jest zasilany prądem stałym (w przypadku wirnika pierścieniowego) – najważniejsze jest, że tworzy on obwód zamknięty. Silniki klatkowe cechują się prostą konstrukcją i są tańsze od wirników pierścieniowych – z drugiej strony silniki asynchroniczne z wirnikami pierścieniowymi są bardziej skomplikowane – droższe – ale mają lepsze właściwości rozruchowe i parametry pracy.

budowa silnika asynchronicznego prądu przemiennego 
Budowa silnika asynchronicznego klatkowego – po lewej wirnik – po prawej stojan.

Zasada działania silnika prądu przemiennego asynchronicznego

 budowa silnika asynchronicznego prądu przemiennego
Zasada działania silnika asynchronicznego – silnika prądu przemiennego

Powyżej widać przekrój silnika asynchronicznego. Kolorem niebieskim zaznaczono jego – stojan, kolorem szarym – wirnik, żółte kółka w wirniku reprezentują jego pręty klatki wirnika. Widzimy, że w tym przypadku stojan zbudowany jest z trzech par biegunów (+ i –) oznaczone w pięciokątach. Do stojana jest doprowadzone trójfazowe napięcie – które powoduje powstawanie wirującego pola magnetycznego – oznaczonego czerwonymi strzałkami – które ciągle się obraca – kierunek obrotu pola pokazuje czarna strzałka po lewej stronie. Wirujące pole magnetyczne cały czas przechodzi przez wirnik (przecina jego pręty). Dochodzi do zjawiska indukcji magnetycznej (dlatego te silniki są też nazywane silnikami indukcyjnymi) – w wirniku indukuje się napięcie i zaczyna płynąć w nim prąd. Mamy wtedy wirujące pole magnetyczne od stojana i stałe pole magnetyczne, które powstaje w wyniku płynięcia prądu w wirniku. Oddziaływanie na siebie obu sił powoduje powstanie siły elektrodynamicznej – oznaczonej zieloną strzałką – która powoduje powstanie momentu – który z kolei zaczyna obracać wirnik.

Prędkość wirującego pola magnetycznego od stojana wynosi 60*f/p – gdzie f – częstotliwość płynącego prądu, p – liczba par biegunów. Natomiast prędkość obracającego się wirnika to 60*f/p*(1-s) gdzie s – poślizg. Dlatego nazywane są silnikami asynchronicznymi – ponieważ pole wirnika goni wirujące pole od stojana z pewnym poślizgiem – pola obracają się względem siebie asynchronicznie.

Jak sterować prędkością takiego silnika? Patrząc na wzór – moglibyśmy zmieniać liczbę par biegunów – co wiązałoby się z rozbieraniem i składaniem silnika – co jest totalną abstrakcją. Moglibyśmy zmieniać wartość poślizgu – co w przypadku silników pierścieniowych – w pewnym zakresie daje taką możliwość. I ostatecznie możemy zmieniać częstotliwość prądu, który jest doprowadzony do stojana. Kiedyś było to bardzo drogie – dlatego w obrabiarkach konwencjonalnych wykorzystywało się skrzynie biegów itd., żeby w sposób mechaniczny zmieniać prędkość na wyjściu – mając stałą prędkość na wejściu. Dzisiaj bardzo łatwo można kupić za nieduże pieniądze – falownik – urządzenie, które na wyjściu pozwala nam uzyskać prąd o interesującej nas częstotliwości.

Zalety silników asynchronicznych to bardzo dobre charakterystyki mechaniczne, bardzo dobra przeciążalność, uzyskiwanie dużych prędkości obrotowych. Wadą silników asynchronicznych jest duży prąd rozruchowy występujący przy bezpośrednim przyłączeniu stojana do sieci. Stosunek prądu rozruchowego do znamionowego wynosi 4-7. Tak duże uderzenie prądu i związane z nim spadki napięcia wywierają ujemny wpływ na własny rozruch (grzanie) jak i na pracę innych urządzeń elektrycznych. Najbardziej popularną metodą rozruchową jest "gwiazda - trójkąt".

Metoda "gwiazda - trójkąt" - przy uruchomieniu silnika uzwojenie stojana, połączone normalnie w trójkąt, przełącza się w gwiazdę. Skutkiem jest trzykrotnie mniejszy prąd dopływający z sieci. Rozruch odbywa się przeważnie samoczynnie za pomocą odpowiednich przełączników w maszynie – przy obrabiarce nawet o tym nie myślimy.

metoda gwiazda trójkąt 
Metoda gwiazda – trójkąt – zmiana połączenia uzwojenia w silniku

Budowa silnika synchronicznego prądu przemiennego

budowa silnika synchronicznego prądu przemiennego 
Budowa wirnika silnika synchronicznego prądu przemiennego

W porównaniu do silnika asynchronicznego – zmianie w budowie silnika synchronicznego ulega tylko wirnik – stojan jest tak samo zbudowany jak w przypadku silnika asynchronicznego. Po wyżej zostały pokazane przykładowe budowany wirników – po lewej – wirnik który jest zbudowany z magnesów trwałych – aktualnie bardzo często stosowane, ze względu na bardzo dobre parametry silników które takie wirniki posiadają. W rzeczywistości posiadają one zdecydowanie więcej par biegunów niż na rysunku powyżej. I po prawej wirnik konwencjonalny – do którego jest doprowadzone napięcie stałe. Wiąże się to z koniecznością stosowania szczotek – aktualnie rzadziej spotykane.

Zasada działania silnika synchronicznego prąd przemiennego

Jeżeli przedstawiliśmy sobie budowę silnika – można domyślić się zasady jego działania. Czy wirnik jest zbudowany z magnesów trwałych czy w postaci konwencjonalnego do którego doprowadzamy prąd stały – cel jest jeden – wirnik ma tworzyć stałe pole magnetyczne. Stojan pracuje identycznie jak w silniku asynchronicznym – tworzy wirujące pole magnetyczne – a wirnik stałe pole magnetyczne. Oba pola na siebie działają – w sposób synchroniczny – to znaczy, że pracują (obracają) się z tą samą prędkością – nie ma tutaj sytuacji jak w asynchronicznym – że wirnik goni stojan – nie ma w ich pracy poślizgu.

Oznacza to, że wypadnięcie w trakcie pracy z synchronizacji spowoduje nagłe zatrzymanie silnika – co może mieć bardzo złe skutki (zniszczenie silnika itd.). W porównaniu do silników asynchronicznych – synchroniczne cechują się lepszymi parametrami pracy, bardziej sztywną charakterystyką mechaniczną i równomiernością pracy. Wadą silników synchronicznych jest brak momentu rozruchowego – były budowane/uruchamiane jako silniki asynchroniczno-synchroniczne – uruchamiane jak asynchroniczne i przełączany na pracę synchroniczną. Wada była na tyle istotna – że w przypadku obrabiarek konwencjonalnych wyeliminowało je to z zużycia – stosowano silniki asynchroniczne. Aktualnie dzięki falownikom – nie ma najmniejszego problemu z ich rozruchem, sterowaniem, eksploatacją. 

 Przejdź do następnej strony artykułu >