Porady
Silniki AC oraz serwonapędy to podstawowe elementy maszyn, linii technologicznych i różnych systemów, w których wykorzystywany jest ruch obrotowy. Sprawdź silniki prądu przemiennego o dużej bezawaryjności i różnych obciążeniach.
Silniki elektryczne to niezawodne źródło napędu, które przekształca energię elektryczną w energię mechaniczną. W technice napędowej szczególnie często wykorzystuje się silniki prądu trójfazowego oraz jednofazowego. W niniejszym poradniku przybliżamy różnice między tymi dwoma technologiami oraz przedstawiamy praktyczne wskazówki dotyczące ich doboru i zakupu.
Układ prądu trójfazowego składa się z trzech sinusoidalnych prądów lub napięć o tej samej częstotliwości i amplitudzie, przesuniętych względem siebie w fazie o 120 stopni.
Przy częstotliwości sieciowej wynoszącej 50 Hz opóźnienie między poszczególnymi fazami wynosi około 6 milisekund.
Jeśli wszystkie trzy prądy mają jednakową wartość skuteczną, układ określa się jako symetryczny.
W idealnych warunkach napięcie we wszystkich trzech fazach pozostaje stałe i niezależne od obciążenia – zmienia się jedynie prąd poszczególnych faz, w zależności od mocy wyjściowej.
Ze względu na przesunięcie fazowe o 120 stopni, sieć trójfazowa o napięciu skutecznym 230 V między przewodem fazowym a neutralnym wytwarza napięcie dokładnie 398,37 V między fazami.
Prąd zmienny, oznaczany skrótem AC (z ang. Alternating Current), to rodzaj prądu elektrycznego, który okresowo zmienia kierunek przepływu, a jego natężenie nieustannie waha się w czasie. Najczęściej spotykaną formą prądu zmiennego w obwodach elektrycznych jest fala sinusoidalna. Jej dodatnia połowa cyklu odpowiada przepływowi prądu w jednym kierunku, a ujemna w kierunku przeciwnym.
W europejskich sieciach energetycznych częstotliwość prądu zmiennego wynosi 50 Hz, natomiast napięcie między przewodem fazowym a neutralnym utrzymuje się na poziomie 230 V.
Silnik elektryczny to maszyna przetwarzająca energię elektryczną na energię mechaniczną. Większość silników działa na zasadzie oddziaływania między polem magnetycznym a prądem elektrycznym płynącym w uzwojeniu przewodu. W wyniku tej interakcji powstaje siła w postaci momentu obrotowego, który wprawia w ruch wał silnika.
Silniki elektryczne mogą być zasilane prądem stałym (DC) lub zmiennym (AC). Z technicznego punktu widzenia generator elektryczny jest urządzeniem o identycznej budowie jak silnik, jednak działa w odwrotny sposób – przekształca energię mechaniczną w elektryczną.
Każdy silnik elektryczny zasilany prądem przemiennym lub trójfazowym składa się zasadniczo z dwóch elementów: wirnika i stojana.
Wirnik to część ruchoma silnika. Odpowiada za obracanie wału i generowanie mocy mechanicznej. Jeśli nie zawiera magnesów trwałych, jest wyposażony w jedną lub więcej cewek z rdzeniami żelaznymi, zwanych twornikami. Cewki te wchodzą w interakcję z polem magnetycznym stojana, wytwarzając moment obrotowy niezbędny do działania silnika.
Stojan stanowi nieruchomy element obwodu elektromagnetycznego. Zazwyczaj zawiera uzwojenia lub magnesy trwałe. W silnikach zalewanych żywicą - stosowanych m.in. w pralkach i klimatyzatorach - wykorzystuje się właściwości tłumiące żywicy lub tworzywa sztucznego, które pomagają redukować hałas i drgania podczas pracy urządzenia.
Silniki trójfazowe opierają swoje działanie na zjawisku indukcji elektromagnetycznej, odkrytym już w 1830 roku przez angielskiego fizyka Michaela Faradaya.
Gdy stojan zostaje zasilony trójfazowym prądem przemiennym, każda z trzech cewek wytwarza pole magnetyczne, którego bieguny zmieniają położenie wraz z pełnym cyklem napięcia przemiennego. Ponieważ poszczególne fazy są przesunięte względem siebie o 120 stopni, pola magnetyczne nigdy nie osiągają identycznej polaryzacji w tym samym momencie. W efekcie w stojanie powstaje wirujące pole magnetyczne (ang. Rotating Magnetic Field, RMF).
W silnikach indukcyjnych trójfazowych wirnik dąży do utrzymania synchronizacji z wirującym polem magnetycznym stojana, jednak nigdy jej w pełni nie osiąga. Z tego powodu silniki te nazywane są asynchronicznymi. Z kolei silniki synchroniczne działają na podobnej zasadzie, lecz ich pole magnetyczne obraca się dokładnie z tą samą prędkością co pole wytwarzane przez sieć zasilającą.
Silnik trójfazowy może być zasilany z jednofazowego źródła prądu, czyli ze standardowej sieci prądu zmiennego. W takiej konfiguracji nie uruchamia się jednak samoczynnie – wymaga wprowadzenia w ruch, ręcznie lub za pomocą dodatkowych układów elektrycznych bądź mechanicznych. Co więcej, silnik trójfazowy pracujący na jednej fazie osiąga jedynie około dwóch trzecich swojej nominalnej mocy, ponieważ jedna z uzwojeń nie jest w tym przypadku wykorzystywana.
Jeśli nie ma potrzeby uzyskiwania dużych mocy, korzystniejszym rozwiązaniem jest zastosowanie silnika przystosowanego do zasilania jednofazowym prądem zmiennym. Jego budowa i zasada działania – z wyjątkiem braku określonego kierunku pola magnetycznego – są zbliżone do silnika trójfazowego. Dotyczy to zarówno konstrukcji synchronicznych, jak i asynchronicznych, ponieważ silniki prądu zmiennego występują w obu tych wariantach.
Przy wyborze odpowiedniego silnika kluczowe znaczenie ma jego przeznaczenie oraz dostępność właściwego źródła zasilania. Jeśli w miejscu montażu dostępne jest wyłącznie zasilanie jednofazowe 230 V, zakup silnika trójfazowego nie ma większego sensu. W sytuacji, gdy istnieje możliwość doprowadzenia zasilania trójfazowego lub jest ono już dostępne, silnik trójfazowy stanowi lepsze rozwiązanie – charakteryzuje się wyższą wydajnością i stabilniejszą pracą. Warto dodać, że wiele modeli silników trójfazowych można stosować również z tradycyjnym zasilaniem jednofazowym.
Kolejnym istotnym parametrem jest prędkość znamionowa, określająca maksymalną moc silnika w obrotach na minutę (obr./min). Wiele jednostek jest fabrycznie wyposażonych w przekładnię, która redukuje standardową prędkość obrotową – wynoszącą zazwyczaj około 3000 obr./min – do wartości rzędu kilkunastu obrotów na minutę, np. do 17 obr./min.
W zakresie mocy znamionowej silniki jednofazowe oferują zazwyczaj od 180 W do 1500 W, natomiast silniki trójfazowe osiągają nawet 4000 W, przy prądach znamionowych od 0,4 A do ponad 8 A. Równie ważna jest konstrukcja silnika. Oprócz gabarytów i masy istotne są także możliwości montażowe. Typ B3 wyposażony jest w stopy do montażu na podstawie, natomiast typ B14 posiada kołnierz mocowany od góry; oba warianty zwykle mają nagwintowane otwory montażowe.
O odporności silnika na warunki środowiskowe informuje stopień ochrony IP. Przykładowo, oznaczenie IP55 wskazuje, że silnik jest chroniony przed strumieniem wody padającym z dowolnego kierunku, co czyni go odpornym na działanie wody o niewielkim ciśnieniu.
Co oznaczają pojęcia obciążenie osiowe i obciążenie promieniowe?
Obciążenie osiowe to siła działająca wzdłuż osi wału napędowego silnika lub przekładni. Przekroczenie dopuszczalnego obciążenia osiowego – na przykład wartości 620 niutonów – może prowadzić do przedwczesnego zużycia łożysk i przekładni, a w skrajnych przypadkach nawet do uszkodzenia mechanicznego całego układu.
Obciążenie promieniowe natomiast to siła działająca prostopadle do osi wału, czyli naciskająca lub ciągnąca z boku – powstająca np. w wyniku ciężaru, napięcia lub przenoszonego momentu obrotowego. Przekroczenie dopuszczalnego obciążenia promieniowego skutkuje przyspieszonym zużyciem łożysk oraz zębów kół zębatych, a w konsekwencji może doprowadzić do pęknięcia wału. Maksymalna siła promieniowa jest zwykle znacznie wyższa niż maksymalne obciążenie osiowe – często nawet pięciokrotnie.