Jak poślizg silnika odzwierciedla zmiany obciążenia: prosty przewodnik po zrozumieniu prędkości i wydajności silnika

Kiedy silnik elektryczny pracuje, parametry takie jak prąd, napięcie, moc i prędkość nie pozostają stałe, a zmiany te bezpośrednio wpływają na wydajność i niezawodność silnika.

Co wzór na współczynnik poślizgu mówi nam o zmianach obciążenia silnika?
Silnik nie zawsze pracuje z prędkością synchroniczną. Dlatego używamy współczynnika poślizgu:
[ S = frac{n_0 - n}{n_0} ]
Gdzie (n_0) to prędkość synchroniczna, a (n) to prędkość rzeczywista. Im większe obciążenie silnika, tym większy poślizg. Analiza tego poślizgu w odniesieniu do prądu wirnika pomaga nam zrozumieć, jak ciężko pracuje silnik w danym momencie.

Pozwól, że przeprowadzę Cię przez to w bardziej przystępny sposób.

Czy silnik naprawdę pracuje z prędkością synchroniczną bez obciążenia?

Kiedy silnik pracuje bez obciążenia, prawie nie wytwarza żadnej mocy. W tym przypadku prąd wirnika jest bliski zeru. Bazując na równaniu (1) z obrazu, poślizg (S) również staje się prawie zerowy. Oznacza to, że rzeczywista prędkość silnika jest praktycznie taka sama jak prędkość synchroniczna.

Dlaczego poślizg zbliża się do zera bez obciążenia?
Przy braku obciążenia moment magnetyczny nie jest potrzebny, więc silnik nie musi „pozostawać” w tyle. Przy prawie zerowym prądzie wirnika, opór magnetyczny jest bardzo mały, dzięki czemu wirnik prawie dorównuje prędkości synchronicznej.

Dlaczego poślizg wzrasta wraz ze wzrostem obciążenia?

Wraz ze wzrostem obciążenia silnik musi wytwarzać większy moment obrotowy, co prowadzi do wzrostu poślizgu.

Aby to zrobić, wirnik potrzebuje silniejszego pola magnetycznego. Aby to osiągnąć, silnik musi pozostawić wirnik nieco opóźniony w stosunku do wirującego pola magnetycznego — wytwarza to napięcie, które indukuje większy prąd w wirniku.

Co to oznacza w praktyce:

• Poślizg wzrasta, ale powoli.
• Większość silników zaprojektowano tak, aby podczas normalnej pracy poślizg pozostawał poniżej 5%.
• Na przykład: jeśli prędkość synchroniczna wynosi 3000 obr./min, rzeczywista prędkość robocza nie spadnie poniżej 2850 obr./min pod obciążeniem znamionowym.

Jak prąd wirnika odnosi się do obciążenia?

Im większe obciążenie silnika, tym większy prąd wirnika.

Kiedyś myślałem, że prąd silnika oznacza po prostu prąd wejściowy, ale w rzeczywistości wirnik generuje własny prąd wewnętrzny w wyniku indukcji. Wraz ze wzrostem obciążenia silnik musi nieco zwolnić, aby zaindukować napięcie wystarczające do wytworzenia większego prądu wirnika. Prąd ten wytwarza moment obrotowy dostosowany do obciążenia.

Dlaczego więc ma to znaczenie?

• Prądy wirnika i stojana łącznie określają wyjściowy moment obrotowy.
• Wyższe obciążenie oznacza większy prąd, więcej ciepła i większe zużycie.
• Nie chcesz dobierać silników „w sam raz” – odrobina kosztów ogólnych pozwoli Ci zaoszczędzić na dłuższą metę.

Czy rzeczywista prędkość silnika kiedykolwiek spadnie znacznie w stosunku do prędkości znamionowej?

Nie bardzo. Silniki są budowane z prędkościami znamionowymi, które pozostają bardzo zbliżone do prędkości synchronicznej.

Weźmy typowy silnik 2-biegunowy o prędkości synchronicznej 3000 obr./min — jego prędkość znamionowa wynosi zwykle około 2850 obr./min. Producenci projektują to w ten sposób, aby zapewnić stałą wydajność nawet przy zmianach obciążenia.

Krótka historia z mojego własnego doświadczenia:

Jeden z moich klientów wybrał silnik o mocy ledwo wystarczającej na pompę wodną. Przez tydzień wszystko działało dobrze, po czym zaczęło się przegrzewać i wyłączać. Zastąpiliśmy go nieco mocniejszym modelem. Silnik pracował płynniej i chłodniej, co ostatecznie pozwoliło mu zaoszczędzić na kosztach konserwacji i przestojach.

Czy krzywa prędkości i obciążenia silnika jest liniowa?

Nie, nie dokładnie. Jest to nieliniowa krzywa lekko opadająca w dół.

To ma sens, kiedy się nad tym zastanowić. Bez obciążenia prędkość jest prawie maksymalna. Jednak wraz ze wzrostem obciążenia prędkość maleje stopniowo, a nie nagle. Tylko w warunkach przeciążenia prędkość gwałtownie spada.

Projektowo:

• Krzywa jest bardziej stroma przy małych obciążeniach;
• Spłaszcza się pod średnim obciążeniem;
• Następnie szybko spada przy dużym lub zablokowanym obciążeniu.

Projektanci silników wykorzystują tę krzywą do przewidywania zachowania silnika w różnych warunkach pracy – szczególnie w zastosowaniach krytycznych, takich jak pompy, wentylatory i systemy przenośników.

Wniosek

Obserwując poślizg i prąd wirnika, uzyskujemy cenne informacje na temat stanu obciążenia silnika, co pomaga w prawidłowym wyborze, rozwiązywaniu problemów i konserwacji.