Tadeusz Glinka

1. Wstęp

Silniki elektryczne dwubiegowe są zwykle stosowane do napędu urządzeń mechanicznych, których program pracy wymaga dwóch różnych prędkości obrotowych. Do urządzeń tych należą: wirówki, wentylatory, pompy, dźwigi osobowe i inne. Drugim powodem stosowania napędów wielobiegowych jest energooszczędność.

Energooszczędność napędu jest kryterium ekonomicznym i ekologicznym. Praca napędu z niższą prędkością obrotową zmniejsza także zużycie napędzanych urządzeń mechanicznych i obniża generowany przez nie hałas, przykładem są przenośniki taśmowe. W napędach urządzeń mechanicznych stosowanych w kopalniach odkrywkowych węgla brunatnego zastosowanie wielobiegowych układów napędowych jest dyktowane przede wszystkim względami energooszczędności.

2. Dwubiegowe silniki indukcyjne klatkowe

Fundamentalną zasadą działania każdej maszyny elektrycznej jest równość biegunów siły magnetomotorycznej uzwojenia stojana i wirnika, gdyż tylko wówczas maszyna generuje moment elektromagnetyczny różny od zera [3]. Właściwością silników indukcyjnych klatkowych jest to, że liczba biegunów uzwojenia wirnika dopasowuje się do liczby biegunów uzwojenia stojana. Właściwość ta jest wykorzystywana w konstrukcji silników wielobiegowych [4]. Silniki dwubiegowe konstruuje się z:

• jednym uzwojeniem stojana o przełączalnej liczbie biegunów, gdy stosunek biegunów p₁/p₂=2;
• dwoma uzwojeniami, gdy p₁/p₂≠2.

Sposób uzyskania, przy pomocy tego samego uzwojenia, dwóch różnych biegunowości zilustrowano na rys. 1. Jak widać z rys. 1 zamiana końcówek uzwojenia (3 i 4) zmienia liczbę biegunów uzwojenia z 2p₁=4 na 2p₂=2. Podobnie można zrealizować uzwojenia o innej liczbie biegunów (2p₁=4, 6, 8) zachowując stosunek par biegunów p₁/p₂=2.

Teoretycznie można wykonać także uzwojenie o przełączalnej liczbie biegunów przy stosunku p₁/p₂=3 i 4. Uzwojenia takiego w praktyce nie wykonuje się, gdyż nie można uzyskać dla obydwóch przypadków (p₁, p₂), zbliżonych wartości okładów prądowych o tej samej biegunowości w szczelinie silnika. Moment elektromagnetyczny silnika zależy od iloczynu okładu prądowego uzwojeń stojana i wirnika. Dla jednej z tych biegunowości (p₁ lub p₂) moment ten byłby mały i silnik nie wypełniałby swojej funkcji. Z tego względu silniki o stosunku par biegunów p₁/p₂≠2 wykonuje się z dwoma niezależnymi uzwojeniami.

Jedno uzwojenie ma liczbę par biegunów p₁ a drugie p₂. Wykonanie silnika z dwoma uzwojeniami stojana wymaga powiększenia żłobków, co powiększa objętość i masę silnika o objętość jednego uzwojenia. Wykonanie silnika z dwoma uzwojeniami stojana daje jednak dodatkowe możliwości, gdyż jedno z tych uzwojeń można wykonać o przełączalnej liczbie biegunów, uzyskuje się wówczas silnik trójbiegowy. Można także obydwa uzwojenia wykonać o przełączalnej liczbie biegunów, co daje silnik czterobiegowy.

Na rysunku 2 i 3 przedstawiono schematy uzwojeń i opis skrzynek przyłączeniowych silników dwubiegowych [1].

Tabela 1. Porównanie parametrów silników wielkości mechanicznej 280 mm [1]

W tabeli 1 zestawiono, w formie przykładu, parametry silników wielkości mechanicznej 280 mm jednobiegowych o liczbie par biegunów p₁=2 i p₂=1 oraz dwubiegowego z jednym uzwojeniem twornika o przełączalnej liczbie par biegunów p₁/p₂=2/1, jak na rys. 2. Jak widać z tego zestawienia różnice dotyczące: sprawności, cosφ i prądu rozruchowego są niewielkie. Większe różnice dotyczą momentu rozruchowego i momentu maksymalnego. Silnik dwubiegowy ma także większą masę, od silnika 2-biegunowego o niecałe 5%, od silnika 4-biegunowego o około 10%.

Tabela 2. Porównanie parametrów silników wielkości mechanicznej 160 mm [1]

W tabeli 2 zestawiono, w formie przykładu, parametry silników wielkości mechanicznej 160: dwubiegowego z dwoma uzwojeniami twornika o liczbie par biegunów p₁/p₂=3/2 i jednobiegowych o liczbie par biegunów p₁=3 i p₂=2, z uzwojeniami jak na rys. 3. Moc silników nie jest identyczna. Praca napędu z niższą prędkością obrotową to nie tylko oszczędność energii. To także mniejsze zużycie napędzanych urządzeń mechanicznych i obniżenie generowanego przez nie hałasu.

W katalogu [1] brak silników jednobiegowych o mocach identycznych z mocą silnika dwubiegowego. Porównanie parametrów silników zestawione w tabeli 2 dotyczy zatem silników o mocach zbliżonych. Z danych podanych w tabeli 2 widać, że masa silnika dwubiegowego jest większa o około 25% od masy silnika jednobiegowego 6-biegunowego i około 20% od masy silnika 4-biegunowego.

3. Elektromaszynowa kaskada asynchroniczna

Napędy przenośników taśmowych długich i o dużej wydajności, które są stosowane między innymi w kopalniach odkrywkowych węgla brunatnego, składają się z dwóch, czasem czterech silników indukcyjnych pierścieniowych. Silniki indukcyjne klatkowe w tego typu napędach nie spełniają swojej funkcji. Prąd rozruchowy silników indukcyjnych klatkowych jest 6 do 7 razy większy od prądu znamionowego, a moment rozruchowy 2,5 do 3 razy większy od momentu znamionowego.

Te właściwości dyskredytują stosowanie silników indukcyjnych klatkowych w tego typu napędach. Duży moment rozruchowy silników indukcyjnych klatkowych skraca żywotność taśmy transportowej, a nawet powoduje jej zrywanie, a rozruch taśmociągu zasypanego przy dużych spadkach napięcia, na długich kablach zasilających, często nie jest możliwy. Silniki indukcyjne pierścieniowe, z rozrusznikami rezystorowymi, w napędach tych bardzo dobrze spełniają swoją funkcję. Rezystory rozruchowe włączane w obwód wirnika zmniejszają zarówno prąd rozruchowy jak i zwiększają moment rozruchowy do pożądanej wartości, gwarantują więc pracę taśmociągu w każdych warunkach.

Układ napędowy z dwoma silnikami indukcyjnymi ma jeszcze jedną zaletę, można go przełączać w kaskadę asynchroniczną, która wiruje z prędkością obrotową o połowę mniejszą od prędkości obrotowej silnika [2]. Przełączenie silników w układ kaskadowy jest możliwe tylko wówczas gdy taśmociąg, lub maszyna robocza, pracuje z wydajnością mniejszą od 50% swojej wydajności znamionowej. Praca przy mniejszej prędkości obrotowej pozwala znacznie zmniejszyć zużycia energii elektrycznej przez układ napędowy.

Układ napędowy z dwoma silnikami indukcyjnymi pierścieniowymi, napędzającymi jeden wał mechaniczny, można przełączyć w układ elektromaszynowej kaskady asynchronicznej [2]. Układ kaskadowy otrzymuje się, gdy silnik M1 jest zasilany z sieci, uzwojenia wirnika silników M1 i M2 są połączone w szereg, a uzwojenie stojana silnika M2 jest zwarte - rys. 4.

Sekwencja faz wirnika silnika M2 musi być taka, aby momenty elektromagnetyczne silników M1 i M2, w zakresie prędkości kątowych 0 ≤ ω_m ≤ 0,5ω_mN, współdziałały ze sobą. W układzie kaskadowym prędkość obrotowa wału jest dwukrotnie mniejsza od prędkości znamionowej silników. Tak więc układ ten można wykorzystać do skokowej zmiany prędkości obrotowej napędu. Nie jest on jednak w praktyce powszechnie stosowany z uwagi na to, że przeciążalność momentem układu kaskadowego jest znacznie mniejsza od przeciążalności momentem jednego silnika, a prąd biegu jałowego jest o około 50% większy od prądu biegu jałowego jednego silnika.

Do zwiększenia przeciążalności momentem i obniżenia prądu biegu jałowego można doprowadzić kompensując moc bierną silnika M2 za pomocą baterii kondensatorów C włączonej równolegle w obwód wirników [2]. Tego typu skompensowana kaskada asynchroniczna (rys. 5) ma korzystne charakterystyki elektromechaniczne i jest stosowana w kopalniach węgla brunatnego, eksploatujących przenośniki taśmowe. Zastąpienie w przenośnikach dotychczasowego napędu kaskadą nie wymaga dużych inwestycji, gdyż każdy przenośnik o dużej wydajności jest napędzany dwoma lub czterema silnikami indukcyjnymi pierścieniowymi, które posiadają komplet rezystorów rozruchowych. Należy tylko dobrać i wyposażyć układ w baterię kondensatorów.

Pojemność baterii kondensatorów powinna być dobrana możliwie optymalnie. Gdy pojemność jest za mała, uzyskuje się mniejszą przeciążalność momentem układu kaskadowego, natomiast gdy jest zbyt duża, to prądy w obwodach wirników M1 i M2, przy obciążeniu kaskady momentem równym podwójnemu momentowi znamionowemu jednego silnika (T_ob=2T_N) przekraczają wartość znamionową, co stwarza zagrożenie przeciążenia termicznego uzwojeń wirników. Optymalną wartość pojemność baterii kondensatorów określają prądy wirników silnika M1 i M2 przy ich znamionowym momencie obciążenia. Pojemność baterii kondensatorów, przy której uzyskuje się: (I₂)_M1=I_2N i (I₂)_M2 ≤ I_rA lub (I₂)_M2=I_2N i (I₂)_M1 ≤ I_2N jest pojemnością optymalną.

Na rysunku 6 podano przykładowe charakterystyki mechaniczne T=f(n)

• silnika M1: typ SZUr-126 t, 400 kW, 6000 V, 47 A, 980 obr/min, parametry wirnika 675 V, 370 A;
• układu kaskadowego złożonego z silników M1+M2 o tych samych danych, podanych wyżej.

Zbudowanie układu uniwersalnego umożliwiającego przełączanie silników w czasie pracy z układu indywidualnego w układ kaskadowy wymaga stosowania wielu wyłączników, ponadto wyłączniki należy bocznikować układami tłumiącymi przepięcia. Względy ruchowe i eksploatacyjne przenośników taśmowych najczęściej nie wymagają szybkich przełączeń silników z zasilania indywidualnego w układ kaskadowy. Przełączenia takie można realizować zwykle w czasie postoju przenośnika za pomocą połączeń stałych. Układ taki minimalizuje liczbę wyłączników oraz nie generuje dodatkowych przepięć łączeniowych. W tym przypadku rozruch przenośnika taśmowego musi być prowadzony w układzie kaskadowym.

Dostosowanie napędu przenośnika pracującego w układzie skompensowanej kaskady asynchronicznej do rozruchu polega na wprowadzeniu do kaskady odpowiednio dobranych elementów R i C. Formują one charakterystyki mechaniczne kaskady T=f(n) tak, by moment rozruchowy był wyraźnie większy od momentu rozruchowego, wynikającego z przebiegu charakterystyki naturalnej kaskady i był zbliżony do wartości, którą uzyskuje się przy indywidualnym zasilaniu silników M1 i M2 z włączonymi rezystorami rozruchowymi.

Istnieje możliwość włączenia w obwód elektromaszynowej kaskady asynchronicznej trzech rezystorów rozruchowych R_r, R_s i R_d - rys. 5. Jak wykazały badania eksperymentalne można ograniczyć się do dwóch rezystorów R_r i R_s, przyjmując R_d=0, co w przypadku napędów przenośników taśmowych, umożliwia wykorzystanie istniejących rezystorów rozruchowych. Na rys. 7 przedstawiono charakterystyki momentu rozruchowego (silnika SZUr - 126 t) przy n=0 w zależności od rezystorów R_s i R_r.

Badania przeprowadzone na przenośniku taśmowym w kopalni węgla brunatnego [2], napędzanym dwoma silnikami 320 kW pracującym przy 50% wydajności. Moc pobierana wynosiła:

• przy indywidualnym zasilaniu silników i znamionowej prędkości taśmy: P=388 kW,
• przy połączeniu szeregowym silników i prędkości taśmy o połowę mniejszą: P=164 kW.

Pobór mocy zmniejszono o 58%. Taśmociągi przy mniejszej prędkości taśmy pracują ciszej, a taśma i wszystkie elementy wirujące wolniej się zużywają, ich trwałość jest większa. Podobne badania przeprowadzono na innych taśmociągach, wyniki pomiarów mocy były podobne. Badania przeprowadzone na przenośniku taśmowym w kopalni węgla brunatnego wykazały, że przy połączeniu szeregowym silników i prędkości taśmy o połowę mniejszej, pobór mocy zmniejszono o 58%.

4. Podsumowanie

Największe oszczędności energii pobieranej przez układ napędowy uzyskuje się poprzez obniżenie prędkości obrotowej do wartości dopuszczalnej z punktu widzenia realizowanego zadania technologicznego. Prostym rozwiązaniem energooszczędnego napędu urządzeń elektromechanicznych jest napęd dwustopniowy. Dwa stopnie prędkości obrotowej można uzyskać przy pomocy: dwubiegowego silnika indukcyjnego klatkowego, bądź elektromaszynowej kaskady złożonej z dwóch silników indukcyjnych pierścieniowych połączonych szeregowo.

Badania eksperymentalne prowadzone w kopalniach węgla brunatnego [2] wykazały, że przenośniki taśmowe pracują ze średnią dobową wydajnością mniejszą od 30%, a czasem na biegu jałowym np. zimą, aby nie zamarzły. Wydajność maksymalna nie przekracza 70% wydajności znamionowej. Przenośniki długie i o dużej wydajności są napędzane parami silników indukcyjnych pierścieniowych. Przy wydajności przenośnika taśmowego mniejszej od 50%, można obniżyć prędkość taśmy do połowy przełączając silniki indukcyjne pierścieniowe w układ kaskadowy. Zmniejszenie prędkości taśmy znacznie obniża zużycie energii elektrycznej.

Literatura

1. Katalog silników elektrycznych firmy Cantoni Motor.
2. Glinka T., Lisowski J.: Zużycie energii przez przenośniki taśmowe i możliwości jego zmniejszenia. „Przegląd Elektrotechniczny”, 1989, z. 1.
3. Glinka T.: Maszyny elektryczne i transformatory. Wydawnictwo Naukowe PWN, 2018.
4. Glinka T.: Silniki wielobiegowe jako napędy energooszczędne. „Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe”. 1/2016

Tadeusz Glinka - Emerytowany prof. zw. Pol. Śląskiej