Silniki elektryczne prądu przemiennego: części, typy, okablowanie i sposób działania

Jak Silnik prądu przemiennego Działa

Silnik prądu przemiennego przekształca energię elektryczną prądu przemiennego w mechaniczną energię obrotową zgodnie z zasadą indukcji elektromagnetycznej. Kiedy napięcie zasilania AC jest przyłożone do uzwojeń stojana, generuje ono wirujące pole magnetyczne (RMF). Prędkość, z jaką obraca się to pole, nazywa się prędkość synchroniczna , określona przez częstotliwość zasilania i liczbę par biegunów magnetycznych w stojanie: Ns = 120f/P , gdzie f to częstotliwość zasilania w Hz i P to liczba biegunów.

W silniku indukcyjnym — najpopularniejszym typie silnika prądu przemiennego — wirujące pole magnetyczne przecina przewody wirnika i indukuje w nich prąd zgodnie z prawem Faradaya. Indukowany prąd wytwarza własne pole magnetyczne, a interakcja między polem wirnika a polem wirującym stojana generuje moment obrotowy, który wprawia wirnik w ruch obrotowy. Wirnik zawsze pracuje nieco wolniej niż prędkość synchroniczna; nazywa się tę różnicę prędkości poślizg , zwykle 2–8% w standardowych silnikach indukcyjnych. Bez poślizgu nie ma ruchu względnego pomiędzy przewodami pola i wirnika, nie jest indukowany prąd ani nie jest wytwarzany moment obrotowy.

W synchronicznych silnikach prądu przemiennego wirnik jest zamiast tego wzbudzany polem prądu stałego lub wykorzystuje magnesy trwałe, blokując go tak, aby obracał się z dokładnie synchroniczną prędkością przy zerowym poślizgu. To sprawia, że ​​silniki synchroniczne są preferowanym wyborem tam, gdzie krytyczna jest precyzyjna praca ze stałą prędkością, na przykład w mechanizmach zegarowych, niektórych maszynach tekstylnych i wysokowydajnych napędach o zmiennej prędkości.

Części silnika prądu przemiennego

Zrozumienie wewnętrznej architektury silnika prądu przemiennego pomaga w dobraniu odpowiedniego urządzenia, diagnozowaniu usterek i planowaniu okresów konserwacji. Główne komponenty to:

• Stojan: Stacjonarny zespół zewnętrzny, w którym znajduje się laminowany rdzeń żelazny i uzwojenia miedziane. Rdzeń stojana jest zbudowany z cienkich warstw stali krzemowej ułożonych razem, aby zminimalizować straty prądu wirowego. Uzwojenia są nawinięte w szczeliny w rdzeniu i podłączone do źródła prądu przemiennego.
• Wirnik: Obrotowy zespół wewnętrzny zamontowany na wale wyjściowym. W silnikach indukcyjnych klatkowych wirnik składa się z aluminiowych lub miedzianych prętów przewodzących zwartych na każdym końcu pierścieniami końcowymi. W silnikach z uzwojonym wirnikiem wirnik ma uzwojenia trójfazowe połączone z rezystorami zewnętrznymi za pomocą pierścieni ślizgowych.
• Wał wyjściowy: Solidny wał stalowy, który przenosi moment mechaniczny na napędzane obciążenie. Średnica wału i wymiary wpustu są znormalizowane zgodnie ze specyfikacjami rozmiarów ram IEC lub NEMA.
• Łożyska: Zazwyczaj łożyska kulkowe poprzeczne po stronie napędowej (DE) i stronie nienapędowej (NDE). Łożyska przenoszą obciążenia promieniowe i osiowe wywierane przez wirnik i obciążenie napędzane i są najczęstszym elementem wymiennym w ramach konserwacji.
• Osłony końcowe (dzwony końcowe): Obudowy z żeliwa lub aluminium zakrywające oba końce ramy silnika, utrzymujące łożyska w odpowiednim położeniu i zamykające zespół wewnętrzny.
• Wentylator i osłona wentylatora: Większość silników prądu przemiennego ma konstrukcję TEFC (całkowicie zamkniętym wentylatorem chłodzonym wentylatorem), z zewnętrznym wentylatorem chłodzącym zamontowanym na przedłużeniu wału po stronie nienapędowej i otoczonym osłoną wentylatora z tłoczonej stali. Wentylator zasysa powietrze z otoczenia przez żebra ramy silnika, aby rozproszyć ciepło.
• Skrzynka zaciskowa (skrzynka przyłączeniowa): Odporna na warunki atmosferyczne obudowa na ramie silnika zawierająca zaciski podłączenia uzwojenia (zazwyczaj oznaczone U1, V1, W1, U2, V2, W2 zgodnie z konwencją IEC). Tutaj podłączane są kable zasilające i wszelkie połączenia w konfiguracji gwiazda/trójkąt.
• Rama: Zewnętrzny korpus konstrukcyjny, zwykle żebrowany z żeliwa lub stopu aluminium, zapewniający podparcie mechaniczne, pełniący funkcję radiatora i podtrzymujący stopy montażowe lub kołnierz do instalacji.

Dodatkowe komponenty obecne w określonych typach silników obejmują poślizg rings and brushes (silniki indukcyjne z uzwojonym wirnikiem), odśrodkowe przełączniki rozruchowe (jednofazowe silniki o rozruchu kondensatorowym) oraz kondensatory (jednofazowe konstrukcje z kondensatorem roboczym i kondensatorem typu rozruch/praca).

Rodzaje silników elektrycznych prądu przemiennego

Silniki prądu przemiennego dzielą się na dwie podstawowe rodziny — indukcyjne (asynchroniczne) i synchroniczne — każda z nich ma kilka podtypów zoptymalizowanych pod kątem różnych wymagań eksploatacyjnych.

W większości zastosowań przemysłowych, trójfazowy silnik indukcyjny klatkowy pozostaje wyborem domyślnym. Nie wymaga szczotek, pierścieni ślizgowych ani zewnętrznego wzbudzenia, co czyni go opcją wymagającą najniższych kosztów konserwacji i najbardziej opłacalną w przypadku obciążeń o stałej prędkości. Napędy o zmiennej częstotliwości (VFD) rozszerzyły swoją użyteczność na zastosowania o zmiennej prędkości, które wcześniej wymagały silników prądu stałego lub silników z uzwojonym wirnikiem.

Podstawy schematu okablowania silnika prądu przemiennego

Prawidłowe okablowanie silnika prądu przemiennego jest niezbędne dla bezpiecznej pracy i uzyskania właściwej charakterystyki momentu obrotowego i prędkości. Konfiguracja skrzynki zaciskowej różni się w zależności od typu silnika i napięcia zasilania, ale poniżej opisano najczęściej spotykane scenariusze.

Silniki trójfazowe dwunapięciowe (gwiazda/trójkąt)

Większość trójfazowych silników indukcyjnych jest uzwojona na dwa poziomy napięcia — zwykle 230 V/400 V lub 400 V/690 V — a skrzynka zaciskowa zawiera sześć przewodów oznaczonych U1, V1, W1 (początki uzwojenia) oraz U2, V2, W2 (końce uzwojenia). Napięcie zasilania określa połączenie:

• Połączenie w gwiazdę (Y) — wyższe napięcie: Połącz ze sobą U2, V2 i W2, aby utworzyć neutralny punkt gwiazdy. Podłącz zasilanie trójfazowe do U1, V1, W1. Każde uzwojenie widzi napięcie międzyfazowe. Używane, gdy napięcie zasilania odpowiada wyższemu napięciu znamionowemu silnika (np. zasilanie 400 V w silniku 230/400 V).
• Połączenie w trójkąt (Δ) — niższe napięcie: Połącz U1 z W2, V1 z U2, W1 z V2, tworząc zamkniętą pętlę. Podłącz zasilanie trójfazowe do każdej pary połączonych zacisków. Każde uzwojenie widzi pełne napięcie międzyfazowe. Używane, gdy napięcie zasilania odpowiada niższemu napięciu znamionowemu silnika (np. zasilanie 230 V w silniku 230/400 V).

Rozruch gwiazda-trójkąt to powszechna metoda miękkiego rozruchu w przypadku dużych silników: silnik uruchamia się w gwiazdę (obniżone napięcie na każdym uzwojeniu = niższy prąd rozruchowy, zazwyczaj 1/3 rozruchu bezpośredniego), a następnie przełącza się w trójkąt, gdy osiągnie pełną prędkość. Zmniejsza to zakłócenia zasilania, ale także zmniejsza moment rozruchowy o ten sam współczynnik 1/3, dlatego nadaje się tylko do zastosowań rozruchowych przy niskim obciążeniu.

Okablowanie silnika jednofazowego

Jednofazowe silniki prądu przemiennego wymagają pomocniczego obwodu rozruchowego, ponieważ samo zasilanie jednofazowe nie jest w stanie wytworzyć wirującego pola magnetycznego. Układ terminala zazwyczaj obejmuje:

• Zaciski uzwojenia głównego (M): Podłączone bezpośrednio przez linię i przewód neutralny.
• Rozpocznij zaciski uzwojenia (S): Podłączone równolegle do uzwojenia głównego, ale szeregowo z kondensatorem rozruchowym. Kondensator powoduje przesunięcie fazowe (około 90°) pomiędzy prądem uzwojenia głównego i pomocniczego, wytwarzając pole wirujące wystarczająco silne, aby wytworzyć moment rozruchowy.
• Przełącznik odśrodkowy lub przekaźnik PTC: Rozłącza uzwojenie rozruchowe, gdy silnik osiągnie około 75–80% prędkości synchronicznej. Awaria tego przełącznika — pozostanie otwarta (silnik nie uruchomi się) lub zamknięta (przegrzanie uzwojenia początkowego i przepalenie) — jest jedną z najczęstszych usterek silników jednofazowych.

Odwrócenie obrotów silnika

Odwrócenie kierunku obrotów silnika trójfazowego wymaga zamiany dowolnych dwóch z trzech faz zasilania na zaciskach silnika — na przykład zamiany połączeń na U1 i V1. Powoduje to odwrócenie kierunku wirującego pola magnetycznego, a w konsekwencji wirnika. W przypadku silników jednofazowych odwrócenie uzyskuje się poprzez zamianę połączeń uzwojenia początkowego w stosunku do uzwojenia głównego; niektóre silniki posiadają w tym celu dedykowane oznaczenia zacisków, inne zaś wymagają wewnętrznego ponownego podłączenia.

Ochrona uziemienia i przeciążenia

Każda instalacja silnika prądu przemiennego musi obejmować: połączenie uziemienia ochronnego (PE). połączony z ramą silnika i podłączony do uziemienia zasilania w skrzynce zaciskowej. W dodatku odpowiednio oceniony przekaźnik przeciążeniowy termiczny lub elektroniczny przekaźnik zabezpieczający silnik powinien być zainstalowany w obwodzie zasilania, ustawiony na prąd pełnego obciążenia silnika (FLC). Zabezpieczenie przed przeciążeniem stanowi podstawową ochronę przed najczęstszą awarią silnika: długotrwałym przetężeniem spowodowanym przeciążeniem mechanicznym, pracą jednofazową lub ograniczoną wentylacją, która podnosi temperaturę uzwojenia powyżej limitu klasy izolacji.